Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige
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Technische Universität München Lehrstuhl für Mensch-Maschine-Kommunikation Prof. Dr. rer. nat. M. Lang Arbeitsgruppe Technische Akustik Prof. Dr.-Ing. H. Fastl Diplomarbeit Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige Verfasser: Markus Fruhmann Grünauer Allee 7 82008 Unterhaching Betreuer: Dipl. – Ing. Josef Chalupper Laborzeit: 2. Juni 1998 bis 2. Dezember 1998 Abgabetermin Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 2 Einleitung.................................................................................................................. 3 Grundlagen................................................................................................................ 5 2.1 Das Lautheitsmodell nach Zwicker ...................................................................... 5 2.2 Rechnerimplementierung des DIN Modells (Modell nach DIN) ......................... 7 2.2.1 Hochpass-Filter am Eingang......................................................................... 7 2.2.2 Filterbank ...................................................................................................... 8 2.2.3 Frequenzabhängige Dämpfung ..................................................................... 8 2.2.4 Berechnung der Kernlautheiten .................................................................... 9 2.2.5 Spektrale Verdeckung................................................................................... 9 2.3 Modifizierte Version des DIN-Modells (Modell nach Moore) .......................... 11 2.4 Das Würzburger Hörfeld .................................................................................... 13 2.5 Umrechnung von Sone nach KU ........................................................................ 15 3 Modellanpassung an Schwerhörige ........................................................................ 17 3.1 Berücksichtigung der veränderten Ruhehörschwelle ......................................... 17 3.1.1 Ein-Komponenten Ansatz........................................................................... 18 3.1.2 Zwei-Komponenten Ansatz ........................................................................ 19 3.1.2.1 Der Faktor k ............................................................................................ 19 3.1.2.2 Berechnung des Faktors k....................................................................... 20 3.1.2.3 Wirkung des Faktors k............................................................................ 21 3.2 Verringerte Frequenzselektivität......................................................................... 22 3.2.1 Modifikation der Filterbank........................................................................ 23 3.2.2 Verringerte Flankensteilheit ....................................................................... 23 3.2.2.1 Implementierung in das Modell nach DIN ............................................. 23 3.2.2.2 Implementierung in das modifizierte Modell nach Moore ..................... 24 3.3 Die entstandenen Modelle .................................................................................. 25 4 Test der Modelle ..................................................................................................... 26 4.1 Schmalbandige Signale....................................................................................... 26 4.1.1 Berechnungen im Mittel für Normalhörende und Schwerhörige ............... 27 4.1.2 Berechnungen für einzelne Versuchspersonen ........................................... 28 4.2 Breitbandige Signale........................................................................................... 31 4.2.1 Grundlagen der Lautheitssummation.......................................................... 31 4.2.2 Hörversuch zur Lautheitssummation .......................................................... 31 4.2.2.1 Versuchsverfahren .................................................................................. 32 4.2.2.2 Testschalle .............................................................................................. 33 -1- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige Inhaltsverzeichnis 4.2.2.3 Die Versuchspersonen ............................................................................ 35 4.2.2.4 Der Versuchsaufbau................................................................................ 35 4.2.3 Versuchsergebnisse..................................................................................... 36 4.2.3.1 Messdaten für Normalhörende................................................................ 36 4.2.3.2 Messdaten für Schwerhörige .................................................................. 38 4.2.4 Vergleich mit Berechnungen der einzelnen Modelle ................................. 39 4.2.4.1 Normalhörende im Mittel ....................................................................... 39 4.2.4.2 Schwerhörige im Mittel .......................................................................... 41 4.2.4.3 Einzelne Berechnungen .......................................................................... 43 4.2.5 Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur................................................. 45 4.2.5.1 Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation nach Verhey ........................ 45 4.2.5.2 Messungen der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden nach Appell und Hohmann ......................................... 46 4.2.5.3 Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation nach Zwicker und Florentine ......................................................................................... 48 5 Zusammenfassung und Ausblick ............................................................................ 50 6 Literaturverzeichnis ................................................................................................ 52 7 Anhang.................................................................................................................... 54 7.1 Quervergleich der Hörfeldberechnung ............................................................... 54 7.2 Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation (Dynamisches Modell).................... 58 7.2.1 Normalhörende ........................................................................................... 58 7.2.2 Schwerhörige .............................................................................................. 59 -2- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 1. Einleitung 1 Einleitung Die Zahl der Menschen mit Hörschäden, ob bedingt durch Alter, Lärmeinwirkung oder ähnliches, hat in den letzten Jahren rapide zugenommen. Dies liegt nicht zuletzt daran, daß durch ein gesteigertes Medieninteresse und bessere Diagnose- und Rehabilitationsmöglichkeiten seitens der Medizin, ein wachsendes Bewußtsein für diese Erkrankungen in der Öffentlichkeit entstanden ist. Ein geschädigtes Gehör kann nur selten operativ behandelt werden. Zum einen ist nicht jeder Hörschaden reparabel, und zum anderen können derartige Operationen große Risiken für den Patienten bergen. Beispielsweise kann dabei als Folge ein Tinnitus zurückbleiben. Die psychologischen Folgen solcher Dauertöne sind nicht zu unterschätzen, betroffene Personen gelten nicht selten sogar als selbstmordgefährdet. Die gebräuchlichste Form der Rehabilitation stellen deshalb Hörgeräte dar, die in den letzten Jahren eine enorme Entwicklung durchlaufen haben. Dies wurde durch die voranschreitende Integration, immer aufwendigerer Signalprozessoren, auf immer kleinere Flächen begünstigt. Das führt dazu, daß zukünftige Hörgerätegenerationen in ihrer Hardware-Ausstattung immer ähnlicher werden und die auf deren Signalprozessoren laufende Software immer besser an die Patienten angepasst werden kann [Kollmeier 97a]. Das wiederum ermöglicht den Hörgeräteentwicklern, immer mehr Funktionen zu implementieren, die die Hörempfindung des Patienten immer weiter an die eines Normalhörenden annähern sollen. Um sinnvolle Ergänzungen der vorhandenen Algorithmen zu finden, müssen zunächst zahlreiche Hörversuche durchgeführt werden, um die Eigenschaften des gestörten menschlichen Gehörs verstehen zu können. Daraus gezogene Schlußfolgerungen und resultierende Modellvorstellungen werden im Anschluß in Rechnersimulationen nachvollzogen und auf ihre Effizienz überprüft. Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit der Simulation mehrerer Modelle zur Berechnung der stationären Lautheitsempfindung. Die Richtigkeit dieser Berechnungen wird sowohl für schmal- als auch für breitbandige Schalle überprüft. Dies geschieht einerseits an Hand von Daten aus der Literatur, andererseits mit Hilfe eigener Hörversuche, die zum Thema Lautheitssummation durchgeführt wurden. Für die Untersuchungen und Modellierungen dieser Arbeit lagen zwei verschiedene Lautheitsmodelle, für Normalhörende, bereits als Computer-Programme vor. Beide basieren auf dem Lautheitsmodell nach Zwicker, wie es in DIN 45 631 [Zwicker 91] festgehalten wurde und verwenden die von Zwicker und Paulus [Paulus 72] verwendeten Algorithmen und Formeln. Diese Implementierungen beinhalten aber bereits einige Modifikationen. So benutzen beide Modelle, statt der vorgesehenen terzbreiten Filter, die dem Gehör mehr entsprechenden Frequenzgruppen-Filter. Zudem -3- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 1. Einleitung wurde in beiden Fällen der von Zwicker [Zwicker 77] vorgeschlagene Hochpaß, zur Nachbildung der Ruhehörschwelle bei niedrigen Frequenzen, implementiert. Es lag also ein Modell vor, das sich an das Lautheitsmodell der DIN 45 631 anlehnt. Das zweite, bereits existierende Modell, basiert ebenfalls auf dem Lautheitsmodell nach Zwicker, wurde jedoch bereits nach Vorschlägen von Moore bzw. Zwicker und Florentine verändert. Dabei wird die Reihenfolge, der Berechnung der Flankenverdeckung und der Transformation in die Lautheit, gegenüber dem Modell nach DIN 45 631 vertauscht. Zur Anpassung, der Modelle an Schwerhörige, werden neben der Ruhehörschwelle auch die sogenannten Würzburger Hörfelder der Patienten benutzt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Lautheitsmessung, das sich aus einer Kombination, von Größenschätzung mit Hilfe von Verbalkategorien und Linienlänge, zusammensetzt. Die Versuchsperson hat dabei die Aufgabe, terzbreites Rauschen in seiner Lautheit zu beurteilen. Im Abschnitt 2.4 finden sich einige Erläuterungen zu diesem Verfahren, das eine wachsende Rolle für „die Diagnostik von Hörschäden und für das Anpassen von Hörgeräten“ [Kollmeier 97b] spielt. Wie oben erwähnt, werden zur Anpassung der Modelle an Schwerhörige zum einen deren Ruhehörschwellen und zum anderen die Würzburger Hörfelder herangezogen. Dabei wird zunächst der Ein-Komponenten Ansatz verfolgt, bei dem nur die Ruhehörschwelle verwendet wird. Darüber hinaus erfolgt im Zwei-Komponenten Ansatz eine Aufspaltung des Hörverlustes in zwei Anteile, die einen Sensitivitäts- und einen Kompressionsverlust des Gehörs wiederspiegeln. Der für diese Aufteilung benötigte Faktor wird mit Hilfe der Hörfelder und einem iterativen Verfahren nach Levenberg und Marquardt ermittelt. Die hierfür verwendeten Grundlagen und deren Umsetzung werden im Kapitel 3 erläutert. In Kapitel 4 werden schließlich die Berechnungen der Modelle überprüft, indem Hörfelder für einzelne Versuchspersonen nachberechnet werden und mit den ursprünglich im Versuch ermittelten Werten verglichen werden. Darüber hinaus wird die Eignung der Modelle für breitbandige Schalle untersucht, da die Anpassung mit Hilfe von schmalbandigen (terz-breiten) Signalen erfolgt. Da dafür sowohl Daten über die Lautheitssummation als auch die Ruhehörschwelle und Würzburger Hörfelder der Versuchspersonen nötig sind, wurden dazu eigene Versuche durchgeführt, die sich an die Versuche von Verhey [Verhey 98] anlehnen. Die Versuchspersonen sollten bei einem Schallpaar aus Referenz und Ankerschall jeweils angeben, welchen Schall sie als lauter empfinden. Dabei hatten die verwendeten Schalle eine Bandbreite von 400 bis 6400 Hz, wobei der Referenzschall eine feste Bandbreite von 400 Hz besaß. Im Anschluß wird versucht, einige Messungen und Versuchsreihen aus der Literatur nachzuvollziehen. Dabei handelt es sich um Messungen der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden, die von Appell und Hohmann [Appell et al. 1998a und b] durchgeführt wurden. Desweiteren werden Messungen der Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation nach Zwicker und Florentine [Florentine et al. 78] und die erwähnten Versuche von Verhey zur Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation [Verhey 98] nachvollzogen. Abschließend erfolgt in Kapitel 5 eine Zusammenfassung der erzielten Ergebnisse und es sollen einige Ausblicke auf weitere Arbeiten bzw. mögliche Verbesserungen der Modelle gegeben werden. -4- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen 2 Grundlagen 2.1 Das Lautheitsmodell nach Zwicker Beim Verfahren zur Lautheitsbestimmung nach Zwicker, das 1991 in DIN 45 631 festgehalten wurde, handelt es sich ursprünglich um eine graphische Methode. Eine Beschreibung dieses Verfahrens findet sich in [Zwicker 91] und [Zwicker et al. 90, S. 181-214]. Abbildung 2.1: Norm-Schablonen-Diagramm nach Zwicker. Die eingetragenen Grenzfrequenzen auf der Abszisse gelten für Terzfilter. An der Ordinate kann auf der rechten Seite die Lautheit in Sone abgelesen werden Es werden mit „einem Schallpegelmesser nach DIN IEC 651 oder einem integrierenden mittelwertbildenden Schallpegelmesser nach DIN IEC 804 in Verbindung mit Terzfiltern nach DIN 45 652“ [Zwicker 91] die Terzpegel bestimmt. Diese werden in ein Schablonen-Diagramm, wie es in Abbildung 2.1 dargestellt ist, in -5- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen der entsprechenden Terz als waagerechte Linie eingetragen. Dabei ist in jeder Terz die Skalierung der Ordinate unterschiedlich, weshalb im Diagramm jeweils einige Pegelwerte angegeben sind. Diese unterschiedliche Skalierung ergibt sich aus dem Verlauf der Ruhehörschwelle und der Kurven gleicher Lautheit. Ist der Pegel im nächsthöheren Frequenzbereich größer als im aktuellen, so wird dieser durch eine senkrechte Linie mit dem bis dahin entstandenen Kurvenzug verbunden. Ist der Pegel dagegen geringer, wird „die Verbindung durch eine abfallende Linie hergestellt, die parallel zu den gestrichelt gezeichneten, fallenden Linien des Diagramms verläuft“ [Zwicker 91]. Die fallende Linie endet beim Schnitt mit einem der folgenden Terzpegel. Die so entstehende Kurve wird als spezifisches LautheitsTonheitsmuster bezeichnet. Die Fläche, die von dieser Kurve, den Endordinaten und der Abszisse des Diagramms eingeschlossen wird, ist ein direktes Maß für die Lautheit des Schalls. Aus der Höhe des Rechtecks, mit, zur Fläche des spezifischen Lautheits-Tonheitsmusters, äquivalenter Fläche, kann man an der rechten Skala des Diagramms die resultierende Lautheit in Sone ablesen. Desweiteren sind zwei Skalen zum Ablesen des Lautstärkepegels in Phon vorhanden. -6- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen 2.2 Rechnerimplementierung des DIN Modells (Modell nach DIN) Abbildung 2.2: Blockschaltbild der Rechnerumsetzung des Modells zur Lautheitsbestimmung nach Zwicker Eine Variante, des unter 2.1 beschriebenen Modells, stand für diese Arbeit bereits als Rechner-Programm zur Verfügung. Der Unterschied liegt dabei in der verwendeten Filterbank, bei der in DIN 45 631 Terzfilter vorgesehen sind. Aus psychoakustischen Gesichtspunkten sollten aber, wie dies im Rahmen dieser Arbeit geschieht, Frequenzgruppenfilter verwendet werden. In Abbildung 2.2 sind die einzelnen Funktionsblöcke der Rechnerimplementierung des Modells in ihrer Abfolge skizziert. Dieses Modell wird im Folgenden als DIN Modell bezeichnet, was sich auf Grund seines Ursprungs anbietet, es handelt sich dabei aber um keine exakte Implementierung der Norm. Nachstehend folgt nun eine Beschreibung der einzelnen Bestandteile des Modells. 2.2.1 Hochpass-Filter am Eingang Wie von Zwicker [Zwicker 77] vorgeschlagen, wird das Eingangssignal zunächst mit Hilfe eines Hochpasses gefiltert. Diese Filterung bewirkt eine Nachbildung der menschlichen Ruhehörschwelle bei niedrigen Frequenzen, die mit einer einfachen Dämpfung der untersten Frequenzgruppen nicht nachvollzogen werden könnte. Da die unterste Frequenzgruppe bereits eine Breite von 100 Hz besitzt, könnte eine pauschale Dämpfung dieser Frequenzgruppe den Verlauf der Ruhehörschwelle nur unzureichend -7- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen nachbilden. Das hätte falsche Pegel, und daraus resultierend, falsche Werte für die Lautheitsberechnung in diesem Bereich zur Folge. Dieses Verhalten wurde auch von Zobl [Zobl 98, S. 13-16] festgestellt, der in seiner Arbeit dieselbe Umsetzung des Modells nach Zwicker zur Lautheitsbestimmung verwendete. Diese Nachbildung der Ruhehörschwelle bei niedrigen Frequenzen erfolgt beim Originalmodell nach DIN 45 631 beim Zusammenfassen der Terzen zu angenäherten Frequenzgruppen. Beim verwendeten Filter handelt es sich um ein Butterworth-Hochpass-Filter. Die Grenzfrequenz beträgt 100 Hz und die Flankensteilheit hat einen Wert von 12 dB / Oktave. Diese Werte wurden durch empirische Vergleiche mit den Meßergebnissen diverser kommerziell erhältlicher Lautheitsmeßgeräte gefunden. Die dafür herangezogenen Daten finden sich in [Fastl et al. 97]. 2.2.2 Filterbank Wie in [Zwicker et al. 90, S. 133-147] beschrieben, erfolgt die Verarbeitung von Schallen im menschlichen Gehör mit Hilfe von 24 spektralen Kanälen, den sogenannten Frequenzgruppen. In DIN 45 631 werden dagegen terzbreite Filter verwendet, die zu angenäherten Frequenzgruppen zusammengefaßt werden. Die Ursache dafür liegt in der Tatsache, daß Frequenzgruppen-Filter im Gegensatz zu Terzfiltern nicht kommerziell erhältlich sind. Im verwendeten Modell durchläuft das hochpass-gefilterte Signal, im Anschluß an das Eingangsfilter, eine Filterbank aus frequenzgruppenbreiten Filtern. Bei den dabei verwendeten Filtern handelt es sich um Tschebyscheff Filter mit einer Flankensteilheit von mindestens 27 dB Bark , wobei im Durchlaßbereich eine Abweichung (Ripple)von 0,5 dB zugelassen ist. In der vorliegenden Implementierung bildet diese Filterbank die Frequenzgruppen für Normalhörende von 1 bis 24 Bark nach, wie sie in [Zwicker et al. 90, S. 142] mit ihren Grenzfrequenzen verzeichnet sind. Das zeitliche Auflösungsvermögen des menschlichen Gehörs wird durch eine Fensterlänge von Tw = 10ms und eine Überlappungsdauer von Tü = 7,5ms nachgebildet. Dadurch ergibt sich für das Analyseintervall eine Dauer von Tr = 2,5ms , was in etwa dem, im Lautheitsmodell von Zwicker verwendeten, 2ms Tiefpaß entspricht. Als Resultat dieser Filterbank erhält man die sogenannten Frequenzgruppenpegel LG . Eine Anpassung dieser Filterbank an die veränderte Frequenzgruppenbreite bei Schwerhörigen wird später erläutert. 2.2.3 Frequenzabhängige Dämpfung Im nächsten Block wird die Übertragungsfunktion des Außen- und Mittelohrs nachgebildet, indem die Frequenzgruppenpegel LG um den Wert des Übertragungsmaßes a 0 in der Mitte der jeweiligen Frequenzgruppe gedämpft werden. -8- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen Diese Dämpfung entspricht bei hohen Frequenzen der Ruhehörschwelle des Menschen und beinhaltet auch die erhöhte Empfindlichkeit im sprachrelevanten Bereich von 3 bis 5 kHz auf Grund der λ 4 -Resonanz des Gehörgangs. Abbildung 2.3: Dämpfungsmaß a 0 als Funktion der Tonheit z (aus [Paulus 72]) 2.2.4 Berechnung der Kernlautheiten Die Berechnung der Kernlautheiten in den einzelnen Frequenzgruppen erfolgt nach [Paulus 72] mit der Formel N ' = 0,064 ⋅ 10 0,025 LEHS 1 0,1(L − L ) 0, 25 sone G E EHS , ⋅ 1 + 10 − 1 4 Bark (2.1) wobei LEHS der der Ruhehörschwelle entsprechende Erregungspegel ist und LE der aktuelle Erregungspegel, der durch den Schall verursacht wird. Die Kernlautheit wird in der Einheit soneG Bark ausgegeben. In diesem Block findet also die Transformation vom Pegelbereich in den Lautheitsbereich statt. Dabei errechnet sich der Erregungspegel LE als Differenz des Frequenzgruppenpegels LG und dem Dämpfungsmaß a 0 zu LE = LG − a 0 . (2.2) Eine Unterscheidung zwischen ebenem und diffusem Schallfeld findet im Rahmen dieser Arbeit nicht statt. Statt Dessen wird in den verwendeten Modellen immer von einer Freifelddarbietung, also dem ebenen Schallfeld, ausgegangen. 2.2.5 Spektrale Verdeckung Schalle, die spektral nahe genug an einem anderen, lauteren Schall, liegen, können durch diesen, den sogenannten Maskierer, verdeckt werden, so daß sie nicht mehr wahrnehmbar sind. Dieser Effekt, als spektrale Verdeckung bezeichnet, wird im, an die Berechnung der Kernlautheiten anschießenden Block, berücksichtigt. Dazu werden an die Kernlautheiten die Verdeckungsflanken angehängt. -9- Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen Eine Verdeckung spektral benachbarter Schalle findet sowohl zu höheren Frequenzen, als auch zu niedrigeren Frequenzen hin statt. Da die untere Flanke, also diejenige zu niedrigeren Frequenzen hin, sehr steil verläuft, wird diese nicht berücksichtigt und für die verwendete Näherung nur die obere Flanke verwendet Die Steilheit dieser Flanke ist sowohl frequenz- als auch pegelabhängig und wird beim Lautheitsmodell nach Zwicker an Hand dieser beiden Größen aus einer Tabelle ausgelesen. Diese wurde in DIN 45 631 [Zwicker 91] festgehalten. - 10 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen 2.3 Modifizierte Version des DIN-Modells (Modell nach Moore) Das Lautheitsmodell, wie es unter 2.2 beschrieben wurde, wurde von Zwicker und Florentine sowie Moore modifiziert. Die hierbei verfolgten Ansätze sind in einem modifizierten Modell festgehalten. Im folgenden Abschnitt werden die hier implementierten Veränderungen gegenüber dem ursprünglichen Berechnungsverfahren geschildert. Dieses Modell entspricht in den ersten drei Blöcken dem oben geschilderten Modell nach DIN, die beiden letzten Teile sind aber, nach einer Modifikation von Moore bzw. Florentine und Zwicker in umgekehrter Reihenfolge realisiert. Abbildung 2.4: Blockschaltbild der Rechnerumsetzung des modifizierten Modells zur Lautheitsbestimmung nach Zwicker und Florentine bzw. Moore. Die Blöcke zur Berechnung der Flankenverdeckung und der Lautheit sind gegenüber dem Modell nach DIN vertauscht Der wesentliche Unterschied zum ursprünglichen Modell besteht darin, daß die Berechnung der Flankenverdeckung noch im Pegelbereich stattfindet und erst daran anschließend eine Transformation in die Lautheit erfolgt. Zur Berechnung der Flankensteilheit wird außerdem keine Tabelle verwendet, vielmehr wird die Steilheit der oberen Flanke mit Hilfe der von Terhardt [Terhardt 79] vorgeschlagenen Formel - 11 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen L dB 0,23 s o = − 24 − + 0,2 ⋅ E fE dB Bark (2.3) berechnet. Dabei ist LE der jeweilige Erregungspegel und f E die zugehörige Frequenz. Um die damit errechneten Ergebnisse an DIN 45 631 anzupassen, wird noch ein Faktor LE 82dB eingefügt, der in der entstehenden Formel im Betrag verwendet wird. L L 0,23 dB s o = − 24 − + 0,2 ⋅ E E fE dB 82dB Bark Die untere Flanke wird in diesem Modell mit frequenzunabhängigen Steigung von s u = 27 dB Bark angenähert. Dieses Modell wird im weiteren Verlauf, auf Grund der Modell nach Moore bezeichnet. Es handelt sich aber um kein Moore entwickeltes Lautheitsmodell, sondern das Modell nach einigen Punkten verändert. - 12 - (2.4) einer pegel- und Modifikationen, als eigenständiges, von DIN wurde nur in Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen 2.4 Das Würzburger Hörfeld Das Würzburger Hörfeld stellt eine Meßmethode der Hörfeldaudiometrie dar. Es wird also ein Zusammenhang zwischen dem Schallpegel und der dabei empfundenen Lautheit hergestellt. Das Ergebnis ist also eine Pegel-Lautheitsfunktion für einen speziellen Schall. Es wurde von Heller [Heller 85] als KategorienUnterteilungsverfahren entwickelt und gehört zur Methode der kategorialen Lautheitsskalierung. Eine Beschreibung der Begriffe Kategoriallautheit und Hörfeldaudiometrie findet sich in [Hellbrück 93]. Bei der kategorialen Lautheitsskalierung wird davon ausgegangen, „daß die Versuchspersonen den verfügbaren Hörbereich in verbale Kategorien unterteilen können“ [Kollmeier 97b]. Das heißt, daß die Versuchsperson die Lautheit eines Schalls mit Hilfe von Adjektiven wie „zu laut“, „mittellaut“ oder ähnlichen beschreiben kann. Bei der Bestimmung des Würzburger Hörfeldes werden die fünf Hauptkategorien „sehr leise“, „leise“, „mittellaut“, laut“ und „sehr laut“ verwendet. Zusätzlich gibt es die beiden Begrenzungskategorien „nicht gehört“ und „zu laut“. Abbildung 2.5: Schematische Darstellung des Tabletts zur Messung des Würzburger Hörfeldes. Die Versuchsperson drückt auf den schwarzen Balken um die Lautheit des gehörten Schalls zu skalieren. Bei der Bestimmung des Würzburger Hörfeldes werden die, von der Versuchsperson abgegebenen, Urteile über ein Tablett erfasst, auf dem neben einem Balken die Grob-Kategorien verzeichnet sind. Eine schematische Darstellung dieses Tabletts liefert Abbildung 2.5. Die Versuchsperson hat die Aufgabe, an der Stelle auf den Balken zu drücken, die, ihrer Meinung nach, der empfundenen Lautheit entspricht. Es handelt sich hierbei also um eine Mischform der Skalierung mit Hilfe der Balkenlänge und mit Hilfe von Verbalkategorien. Die Balkenlänge wird vom Rechner - 13 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen erfasst und auf eine maximale Skale von 0 bis 50 umgerechnet. Die so entstehende Zahl beziffert das entstandene Maß für die empfundene Lautheit in der Einheit „Kategoriale Untereinheiten“ (KU, engl.: categorical units, CU). Als Testschalle werden terzbreite Rauschen verwendet, deren Pegel in 5 dB Schritten bis auf 90 dB SPL erhöht wird. In Abbildung 2.6 ist das Ergebnis einer solchen Messung für eine Versuchsperson mit, zu hohen Frequenzen deutlich steigendem Hörverlust, dargestellt, so wie es der Versuchsleiter am Rechner erhält. Im Beispiel wurde bei Mittenfrequenzen von 500, 1000, 2000 und 4000 Hz gemessen. Das Hörfeld eines Normalhörenden ist jeweils schraffiert eingetragen. Abbildung 2.6: Ergebnis der Hörfeldmessung eines Schwerhörigen bei den Frequenzen 500, 2000, 1000 und 4000 Hz (von links oben nach rechts unten). Die Kreise stellen die einzelnen Meßpunkte dar, die durchgezogene Linie ist eine Näherung mittels Geraden. Das Hörfeld eines Normalhörenden ist jeweils als durchgezogene Linie mit Schattierung dargestellt Bei tiefen Frequenzen ist der Unterschied zum Hörfeld eines Normalhörenden noch sehr gering, diese Differenz wächst aber mit der Zunahme des Hörverlusts zu höheren Frequenzen hin. Sehr gut zu erkennen ist das bei Schwerhörigen auftretende „Recruitment“-Phänomen, das eine Versteilerung der Lautheitsfunktion, gegenüber Normalhörenden, zur Folge hat. Bei hohen Pegeln wird nahezu der selbe Lautheitswert in KU erreicht, wie bei Normalhörenden, jedoch beginnt die Lautheitsfunktion erst bei wesentlich höheren Pegeln. Der Schnittpunkt der Lautheitsfunktion mit der x-Achse, also der Pegel für eine Lautheit von 0 KU, repräsentiert die Ruhehörschwelle der Versuchsperson. - 14 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen Prinzipbedingt erhält man hier, wenn nur eine einzelne Messung durchgeführt wird, Messwerte, die um die reale Pegel-Lautheitsfunktion herum stark schwanken können. Im Bild äußert sich dies beispielsweise durch höhere KU Werte bei niedrigeren Pegeln, die vereinzelt beobachtet werden können. Bei Normalhörenden ist, auf Grund der Ruhehörschwelle, ebenfalls eine leichte Frequenzabhängigkeit des Würzburger Hörfeldes zu beobachten. Diese ist bei den verwendeten Mittenfrequenzen aber nicht sehr stark ausgeprägt, weshalb die, im nächsten Abschnitt geschilderte Umrechnung von Sone nach KU, keine Frequenzsbhängigkeit beinhaltet. 2.5 Umrechnung von Sone nach KU Da zur Anpassung und späteren Überprüfung der Modelle das Würzburger Hörfeld herangezogen wird, ist es notwendig, die von den Modellen berechneten Werte für die Lautheit, die in Sone ausgegeben werden, in die, beim Würzburger Hörfeld, verwendete Einheit KU umzurechnen. Dazu wurde zunächst die von Hohmann [Hohmann 93] vorgeschlagene Formel CU = 17,6 ⋅ log(2,5 ⋅ N ) (2.5) verwendet. Dabei ist N die ermittelte Lautheit in Sone. CU ist der Wert für die Lautheit in Kategorialen Untereinheiten. Diese Formel geht davon aus, daß keine Abhängigkeit der Umrechnung von Sone nach KU von den verwendeten Schallen, also deren spektraler Zusammensetzung, vorhanden ist. Da mit dieser Formel die am Lehrstuhl vorhandenen Daten nur unzureichend nachvollzogen werden konnten, wurde mit Hilfe des Programms „Table-Curve“ eine Formel ähnlicher Struktur aber mit mehreren Parametern ermittelt. Dazu wurde über die vorhandenen Daten gemittelt und eine bestmögliche Näherung zur Umrechnung gesucht. Die dabei entstandene Formel hat die Form CU = 0,31 ⋅ N + 12,5 ⋅ log(11,6 ⋅ N ) (2.6) und besitzt, wie Abbildung 2.7 zeigt, eine größere Steigung, als die Formel nach Hohmann. - 15 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 2. Grundlagen 50 Lautheit / KU 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 Lautheit / Sone Formel nach Hohmann ermittelte Formel Abbildung 2.7: Umrechnung der Lautheit in Sone nach Kategorialen Untereinheiten KU Die Differenz bei der Umrechnung ergibt sich möglicherweise durch das unterschiedliche verwendete Datenmaterial. Die Daten, aus denen die Formel von Hohmann entstanden ist, lagen für diese Arbeit nicht vor. - 16 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung 3 Modellanpassung an Schwerhörige Eine Anpassung, der im vorherigen Abschnitt beschriebenen, Lautheitsmodelle kann nun an mehreren Stellen geschehen. Im folgenden Abschnitt werden die, im Rahmen dieser Arbeit implementierten, Veränderungen und die ihnen zugrundeliegenden Überlegungen erläutert. 3.1 Berücksichtigung der veränderten Ruhehörschwelle Die offensichtlichste Störung bei einem Schwerhörigen ist sicherlich die veränderte Ruhehörschwelle. In den verwendeten Modellen tritt die Ruhehörschwelle an zwei Stellen in Erscheinung, da sie sich aus den beiden Komponenten „Dämpfungsmaß des Außenohrs ( a 0 )“ und „Erregungspegel an der Ruhehörschwelle ( LEHS )“ zusammensetzen läßt. 50 40 Pegel / dB 30 Dämpfungsmaß 20 Erregungspegel Normal RHS 10 0 0 10 20 30 -10 Tonheit / Bark Abbildung 3.1: Normal-Ruhehörschwelle als Summe des Dämpfungsmasses a 0 und des Erregungspegels an der Ruhehörschwelle LEHS - 17 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung Bei den Modellen, die mit Hilfe des Ein-Komponenten Ansatzes erstellt wurden, geht der Hörverlust als Verringerung der Kompressivität des Gehörs ein. Dazu wird er zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle LEHS addiert. Im Zwei-Komponenten Ansatz teilt ein Faktor (Vektor) k, der später näher beschrieben wird, den Hörverlust der Versuchsperson in zwei Anteile auf. Die eine Komponente spiegelt den Kompressionsverlust des Gehörs wieder und wird wie im EinKomponenten Ansatz zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert. Der zweite Teil, der durch die Aufteilung entsteht, stellt einen Sensitivitätsverlust dar und wird zum Dämpfungsmaß des Außenohrs a 0 addiert. Physiologisch gesehen lassen sich diese beiden Anteile als Schädigung innerer Haarzellen (Sensitivitätsverlust) und als Schädigung äußerer Haarzellen (Kompressionsverlust), auf der Basilarmembran, interpretieren. Wie sich diese Schäden auf die Auslenkung der Basilarmembran auswirken ist in Abbildung 3.2 dargestellt. Abbildung 3.2: Auslenkung der Basilarmembran in Abhängigkeit des Eingangspegels. Die durchgezogene Linie zeigt die Funktion bei Normalhörenden. Die unterbrochenen Linien zeigen die möglichen Änderungen für unterschiedliche Kombinationen der Haarzellen-Schädigung (aus [Kollmeier 97c]). Die durchgezogene Linie stellt die Erregung im Normalfall dar. Eine Schädigung innerer Haarzellen hat nun eine Verschiebung dieser Kurve nach rechts zur Folge, was einem reinen Sensitivitätsverlust des Gehörs entspricht. Bei einer vollständigen Schädigung der äußeren Haarzellen geht die nichtlineare Funktion in eine Funktion mit konstanter Steigung über, da hier die aktiven Mechanismen des Gehörs verloren gehen, die, unter Anderem, eine Anhebung niedriger Pegel bewirken. Es entsteht also ein Kompressions- und Sensitivitätsverlust. Sind sowohl innere als auch äußere Haarzellen betroffen, so geht einerseits die Kompression verloren und es tritt zusätzlich eine Verschiebung nach rechts ein. 3.1.1 Ein-Komponenten Ansatz Im Ein-Komponenten Ansatz wird aus der, für einen Probanden gemessenen, Ruhehörschwelle RHS, der Hörverlust HL (HL von englisch „Hearing Loss“) als Differenz zur Norm-Ruhehörschwelle zu - 18 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung HL = RHS − RHS NORM (3.1) berechnet. Dabei berechnet sich die Norm-Ruhehörschwelle RHS NORM zu RHS NORM = a0 + LEHS (3.2) als Summe des Dämpfungsmasses a 0 und dem Erregungspegel an der Ruhehörschwelle LEHS . Der Hörverlust wird dann bei der Berechnung der Kernlautheiten, bzw. im modifizierten Modell nach Moore bzw. Florentine und Zwicker bei der Berechnung der Lautheit, zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert: LEHS ,sh = LEHS + HL (3.3) und geht so in die Berechnung der Lautheit als verringerte Kompressivität des Gehörs ein. 3.1.2 Zwei-Komponenten Ansatz Im Zwei-Komponenten Ansatz wird der Hörverlust des Probanden in zwei Anteile aufgespalten. Davon wird ein Teil als zusätzliche Dämpfung zum Übertragungsmaß des Außenohrs addiert, der zweite Teil wird, analog zum EinKomponenten Ansatz, zum Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert. Derjenige Anteil, der zu a0 addiert wird, entspricht einem Sensitivitätsverlust bzw. einer Schädigung der inneren Haarzellen der Basilarmembran. Die Veränderung des Erregungspegels spiegelt einen Verlust der Kompressivität des menschlichen Gehörs wieder, was medizinisch einer Schädigung äußerer Haarzellen entspricht. Die beiden so entstehenden Anteile werden in Anlehnung an Moore [Moore 95] als HLihc (innere Haarzellen = inner hair cells) und HLohc (äußere Haarzellen = outer hair cells) bezeichnet. Diese Deutung der Aufspaltung in zwei Anteile hat aber keinesfalls den Anspruch, eine Aussage über die reale Schädigung der inneren bzw. äußeren Haarzellen zu treffen. Die Werte ergeben sich rein durch eine Anpassung der Modelle an die gemessenen Hörfelder. Deshalb sei die Deutung als Schädigung der Haarzellen hier nur am Rande erwähnt. 3.1.2.1 Der Faktor k Zur Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust wird ein Faktor, im Folgenden „k“ genannt, eingeführt. Bei diesem Faktor handelt es sich um einen Vektor, der für jede Frequenzgruppe einen Wert zur Aufteilung des gemessenen Hörverlustes enthält. Da die Zahl der Frequenzgruppen bei Schwerhörigen, von der bei Normalhörenden, auf Grund einer verringerten Frequenzselektivität, abweichen kann, wird der Vektor k zunächst mit 24 - 19 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung Elementen, also für jede Frequenzgruppe eines Normalhörenden, bestimmt. Daraus werden dann die Werte, die beim entsprechenden Schwerhörigen benötigt werden, durch Interpolation bestimmt. Der Wertebereich für die einzelnen Komponenten wurde auf [0..1] beschränkt, da sich sonst für einen der beiden Hörverlustanteile negative Werte ergeben könnten, was praktisch einer Verstärkung gleich käme. Durch diesen Faktor k ergibt sich also folgende Aufteilung des Hörverlustes: v HLohc = k ⋅ HL und HLihc = (1 − k ) ⋅ HL , (3.4), (3.5) wobei sich der gesamte Hörverlust der Versuchsperson aus der Summe der beiden einzelnen Komponenten zu HL = HLohc + HLihc (3.6) ergibt. Dabei bezeichnet wiederum HLohc den Anteil, der als Verlust der Kompressivität bzw. als Schädigung äußerer Haarzellen auf der Basilarmembran interpretiert werden kann und HLihc steht für die Schädigung innerer Haarzellen bzw. den Sensitivitätsverlust des Gehörs. Die einzelnen Komponenten von HLohc werden, nach Moore, auf einen maximalen Wert von HLohc ,max (i ) = 55dB beschränkt. 3.1.2.2 Berechnung des Faktors k Die Anpassung der Modelle an die einzelnen Versuchspersonen erfolgt im Zwei-Komponenten Ansatz mit Hilfe der entsprechenden Würzburger Hörfelder. Dabei werden nach einem Algorithmus von Levenberg und Marquardt [Marquardt 64] die einzelnen Komponenten des Vektors k so lange adaptiv verändert, bis eine bestmögliche Anpassung des verwendeten Lautheitsmodells an den Probanden eintritt. Dieser Anpassungsalgorithmus war bereits als Programm vorhanden und mußte nur noch in die Modelle integriert werden. Zur Berechnung des Faktors k waren, im Rahmen dieser Arbeit, Hörfelder vorhanden, die jeweils an vier verschiedenen Frequenzen mit Terz-breiten Rauschen ermittelt wurden. Die Hörfelder lagen entweder für die Frequenzen 500, 1000, 2000 und 4000 Hz oder 500, 1600, 4000, 6300 Hz vor, je nachdem, bei welcher Versuchsreihe sie im Vorfeld der Arbeit bestimmt wurden. Als Startwerte für den Anpassungsalgorithmus wurde nach Appell [Appell et al. 98b] eine Aufteilung zu HLohc = 0,8 ⋅ HL und HLihc = 0,2 ⋅ HL (3.7), (3.8) gewählt. Es wurden also zunächst alle Komponenten des Vektors k auf 0,8 als Anfangswerte für die Iteration gesetzt. Bei der Anpassung an die Hörfelder werden dann wiederum alle Elemente gleich behandelt. Es entsteht also für eine bestimmte Frequenz ein bestimmter Wert für alle Komponenten von k. Dieser Wert wird im endgültigen k-Vektor an der Stelle - 20 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung verwendet, die der Mittenfrequenz, des für die entsprechende Hörfeldbestimmung verwendeten Schalls, entspricht. Ist dieses Verfahren an den bekannten Stellen durchgeführt, so erhält man, bei der hier vorliegenden Zahl an Hörfeldern, jeweils vier Elemente des endgültigen k-Vektors. Die restlichen Elemente werden linear interpoliert bzw. in den Randgebieten mit dem jeweiligen Eckwert aufgefüllt. 3.1.2.3 Wirkung des Faktors k In Abbildung 3.3 ist die Pegel-Lautheitsfunktion für Normalhörende (schwarz) dargestellt. Beispielhaft sind solche Funktionen zusätzlich für einen fiktiven Probanden eingetragen, der einen Hörverlust von ca. 45 dB besitzt. Der Vektor k wurde in allen Elementen auf die Werte 0, 0,5 und 1 gleich gesetzt. 100,00 Lautheit / Sone 10,00 1,00 Normalhörender 0 20 40 60 0,10 80 Schwerhörender, k=1 Schwerhörender, k=0,5 Schwerhörender, k=0 0,01 0,00 Pegel des Testschalls / dB Abbildung 3.3: Simulation der Pegel-Lautheitsfunktion eines Normalhörenden und eines Schwerhörigen mit einem Hörverlust von ca. 45 dB und einem konstantem k bei 0, 0,5 und 1. Stimulus ist ein terz-breites Rauschen bei einer Mittenfrequenz von 2000 Hz Für k=0 wird die Lautheitsfunktion des Normalhörenden lediglich nach rechts verschoben, da in diesem Fall der gesamte Hörverlust des Patienten als Verlust der Sensitivität des Gehörs interpretiert wird und wie in 3.1 beschrieben, zu a 0 addiert wird. Für den Fall k=1 erkennt man, daß die Lautheitsfunktion steiler verläuft und sich für hohe Pegel der Lautheitsfunktion des Normalhörenden annähert. Der gesamte Hörverlust wird in diesem Fall als Kompressionsverlust ausgelegt und zu LEHS addiert. In den Modellen des zwei Komponenten-Ansatzes erfolgt für Werte von k=1 ein Übergang zum Ein-Komponenten Ansatz, da nun der Hörverlust nur noch auf den Erregungspegel an der Ruhehörschwelle addiert wird, wie das im Ein-Komponenten Ansatz ebenfalls geschieht. Für Werte von k, die zwischen den Extremen 0 und 1 liegen (in der Graphik beispielhaft 0,5) setzt sich die Pegel-Lautheitsfunktion aus einer Kombination von - 21 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung Sensitivitäts- und Kompressionsverlust zusammen. Sie verläuft steiler als die Funktion für k=0, nähert sich aber der Originalfunktion nicht so stark an wie im Fall k=1. 3.2 Verringerte Frequenzselektivität Neben der gestörten Ruhehörschwelle wird davon ausgegangen, daß bei Schwerhörigen eine verringerte Frequenzselektivität vorhanden ist. Das heißt, die Erregungsmuster von schmalbandigen Schallen sind bei Schwerhörigen breiter als bei Normalhörenden. Eine Modellierung dieser Eigenschaft erhält man durch eine Verbreiterung der verwendeten Frequenzgruppenfilter. Das entspricht einer Modifikation der Filterbank, indem hier die verwendeten Grenzfrequenzen verändert werden. Die alleinige Verbreiterung der Frequenzgruppen hätte zunächst zur Folge, daß die berechnete Lautheit größer wird, wenn man die veränderte Ruhehörschwelle unberücksichtigt ließe, da die Fläche, die unter dem spezifischen Lautheits-Tonheitsmuster entsteht, größer wird. Um nun diese Anpassung vorzunehmen finden die Ergebnisse von Moore [Moore 95] Verwendung, der einen Faktor B für die Verbreiterung der Frequenzgruppen, in Abhängigkeit vom ermittelten Hörverlust, folgendermaßen ermittelte: B = 10 0,01348(HLTOTAL −22 ) . (3.9) HLTOTAL entspricht hierbei dem gesamten Hörverlust der in der betrachteten Frequenzgruppe als Differenz aus Norm-Ruhehörschwelle und gemessener, gestörter Ruhehörschwelle entsteht. Bei der Modellierung nach Moore findet eine Verbreiterung der Frequenzgruppen überhaupt erst bei einem Hörverlust von mehr als 22 dB in der entsprechenden Frequenzgruppe statt. Im Bereich von 22 bis 65 dB berechnet sich die Verbreiterung nach obenstehender Formel. Bei noch größeren Hörverlusten wird ein fester Wert von 3,8 für die Verbreiterung angenommen. Zusätzlich wird im Frequenzbereich unterhalb von 1 kHz der Faktor ( HLTOTAL − 22) im Exponenten der Formel durch den Ausdruck (1 − 0,355 log10 F ) dividiert. Die in diesem Bereich eingesetzte Formel lautet also B = 10 0,01348 (HLTOTAL −22 ) (1−0,355 log10 F ) . (3.10) Dabei ist F die Mittenfrequenz der betreffenden Frequenzgruppe in kHz. Diese Formeln wurden rein empirisch an Hand von Versuchsergebnissen ermittelt und können deshalb die individuellen Bedingungen bei einzelnen Versuchspersonen nur unzureichend beschreiben. Deshalb sind auch hier die veränderten Annahmen für die Schwerhörigen reine Modellvorstellungen. Die tatsächliche Breite der Frequenzgruppen bei einem individuellen Probanden läßt sich - 22 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung nur durch entsprechende Versuche ermitteln, da die Veränderung stark von der Art des Gehörschadens abhängig ist. 3.2.1 Modifikation der Filterbank Das vorliegende Modell war in seiner ursprünglichen Form auf 21 feste Frequenzgruppenfilter ausgelegt. Die Frequenzgruppen-Filterbank wurde also zunächst auf 24 Frequenzgruppen erweitert und schließlich an eine variable Zahl von Frequenzgruppen angepasst. Um nun die neuen Grenzfrequenzen der Frequenzgruppenfilter zu ermitteln, lesen die Modelle zunächst die, zum Patienten gehörende, Ruhehörschwelle ein und berechnen den daraus resultierenden Hörverlust, wie oben bereits beschrieben, als Differenz zur Normal-Ruhehörschwelle. Mit dessen Hilfe wiederum werden die Grenzfrequenzen der Frequenzgruppen bestimmt, indem, beginnend mit der ersten Frequenzgruppe, immer die Breite der aktuellen Frequenzgruppe berechnet wird und die nächste Frequenzgruppe nach oben anschließend angehängt wird. Grundlage hierfür sind die oben beschriebenen Formeln nach Moore. Da sich durch die Verbreiterung der Frequenzgruppen eine geringere Zahl als die 24 Frequenzgruppen der Normalhörenden ergeben kann, sind auch alle nachfolgenden Berechnungen so ausgelegt, daß sie mit einem Eingangsvektor variabler Länge operieren können. 3.2.2 Verringerte Flankensteilheit Zusätzlich zur Verbreiterung der Frequenzgruppen sind bei Schwerhörigen die Flanken der Verdeckungsmuster flacher. Die untere Flanke, also jene, die von der Kernlautheit aus, zu niedrigeren Frequenzen reicht, verläuft sehr steil, weshalb hier von keiner Veränderung ausgegangen wird. Diese bleibt also im Modell nach DIN gänzlich unberücksichtigt und im Modell nach Moore wird sie mit konstanter Steigung aproximiert. Da die Steigung der oberen Flanke in den beiden Ausgangsmodelle auf verschiedene Weise ermittelt wird, findet die Implementierung der flacheren oberen Flanke je nach Modell unterschiedlich statt. 3.2.2.1 Implementierung in das Modell nach DIN Beim DIN-Modell wird die obere Flanke an Hand von Pegel und aktueller Frequenzgruppe aus der erwähnten Tabelle ausgelesen. Da die oberen Flanken der Verdeckungsmuster bei niedrigen Frequenzen flacher verlaufen als bei hohen Frequenzen findet hier automatisch eine Anpassung an die veränderten Gegebenheiten bei Schwerhörigen statt. Die sich, bei einer bestimmten Frequenz, ergebende obere Flanke wird hier automatisch flacher, wenn man sich, auf Grund der verringerten Frequenzselektivität und der daraus resultierenden größeren Frequenzgruppenbreite, bei einer bestimmten Frequenz in einer niedrigeren Frequenzgruppe befindet. Durch die Berücksichtigung der Ruhehörschwelle erhält man - 23 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung zudem flachere Flanken, da der Erregungspegel um den Hörverlust gedämpft wird und so eine geringere Flankensteilheit aus der Tabelle ausgelesen wird. Aus diesem Grund findet hier keine spezielle Anpassung an die veränderten Bedingungen bei Schwerhörigen statt, die Steigung der oberen Flanke wird weiterhin der Nummer der Frequenzgruppe entsprechend aus dieser Tabelle ausgelesen. 3.2.2.2 Implementierung in das modifizierte Modell nach Moore Das Modell nach Moore benutzt zur Berechnung der Flankensteilheit, wie in Abschnitt 2.3 erwähnt, die von Terhardt vorgeschlagene Formel. Die errechnete Steigung wird nun um den selben Faktor verändert, wie er sich mit der Formel nach Moore für die Frequenzgruppenverbreiterung ergibt. Es entsteht also folgende Formel für die Flankensteilheit in diesem Modell: so = L ( z , i ) LE ( z , i ) dB 1 0,23 − 24 − , + 0,2 ⋅ E B f E ( z) dB 82dB Bark wobei sich B mit der Formel nach Moore wie in Abschnitt 3.2 berechnet. - 24 - (3.11) Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 3. Modellanpassung 3.3 Die entstandenen Modelle Durch unterschiedliche Kombination der Modifikationsmöglichkeiten der ursprünglichen Lautheitsmodelle entstanden insgesamt sechs Modelle. Jeweils drei davon im Ein-Komponenten Ansatz und drei im Zwei-Komponenten Ansatz. Einen Überblick über diese Modelle gibt Tabelle 3.1. Ein-Komponenten Ansatz DIN ONE • • DIN ONE VERB Modell nach DIN • Berücksichtigung der • Ruhehörschwelle • Zwei-Komponenten Ansatz DIN TWO • • • Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen MOORE ONE • • • DIN TWO VERB • • • • Modell nach DIN Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust Modifiziertes Modell nach Zwicker, Florentine und Moore Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen MOORE TWO • • • • Modifiziertes Modell nach Zwicker, Florentine und Moore Berücksichtigung der Ruhehörschwelle Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen Aufspaltung des Hörverlusts in Sensitivitäts- und Kompressionsverlust Tabelle 3.1: Übersicht über die erstellten Lautheitsmodelle, mit den entsprechenden Modellbezeichnungen und den realisierten Anpassungsmöglichkeiten. - 25 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4 Test der Modelle Die erstellten Modelle sollen selbstverständlich sowohl für Normal- als auch für Schwerhörende funktionieren, da ein Normalhörender ja den Spezialfall eines Schwerhörenden mit Hörverlust 0 darstellt. Um die Qualität der erstellten Modelle zu testen wurden zunächst Hörfeldberechnungen durchgeführt, bei denen die Würzburger Hörfelder der einzelnen Versuchspersonen nachvollzogen werden sollten. Dies ist also ein Test, ob die Lautheitsvorhersage für schmalbandige Schalle, wie sie die verwendeten, Terz-breiten Rauschen darstellen, zuverlässig ist. Darüber hinaus sollte das Verhalten der Modelle bei breitbandigen Signalen untersucht werden. Dafür werden für einzelne Probanden sowohl die Würzburger Hörfelder, als auch die Ruhehörschwelle und Werte über die Lautheitsempfindungen, bei den entsprechend unterschiedlich breitbandigen Schallen, benötigt. Deshalb wurden dazu eigene Hörversuche, in Anlehnung an die Versuche von Verhey [Verhey 98], durchgeführt. Dabei sollten die Versuchspersonen Schalle unterschiedlicher Bandbreite in ihrer Lautheit beurteilen, bis der Pegel gefunden wurde, bei dem ein gleicher Lautheitseindruck entsteht. 4.1 Schmalbandige Signale Als Test der Modelle für ihre Eignung bei schmalbandigen Schallen wurden zur Überprüfung ihrer Effizienz die für die Patienten ermittelten Hörfelder nachberechnet. Als Maß für die Qualität der Berechnung wird der folgende Nichtlineare Korrelationskoeffizient nach Schach und Schäfer verwendet ( y − yˆ i )2 ∑ i =1 i Bnl = 1 − , n 2 ( ) y − y ∑i=1 i n (4.1) den auch Launer [Launer 95] zu diesem Zweck angewandt hat. Dabei ist n die Anzahl der Meßwerte, yi ist der aktuelle Meßwert, ŷi bezeichnet den aktuell vom Modell berechneten Wert und y ist der Mittelwert der Meßwerte aus dem Versuch. Dieser Koeffizient nimmt für optimale Anpassung den Wert Bnl = 1 an. Der Wert Bnl = 0 wird erreicht, wenn man für die berechneten Werte jeweils den - 26 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Mittelwert der Meßpunkte y einsetzt. Negative Werte Bnl < 0 dagegen bedeuten, daß eine Näherung der gemessenen Daten nur mit Hilfe des Mittelwerts der Messung besser gewesen wäre, als die Modellberechnung. Für diese Berechnungen standen die Daten von 8 Normalhörende und 15 Schwerhörige zur Verfügung. 4.1.1 Berechnungen im Mittel für Normalhörende und Schwerhörige Betrachtet man die Gütekoeffizienten mehrerer Versuchspersonen und bildet für die einzelnen Modelle die Mittelwerte darüber, wie sie in Abbildung 4.1 dargestellt sind, so stellt man fest, daß die Berechnungen gerade im Zwei-Komponenten Ansatz sehr nahe am Idealwert von 1 liegen. Dies aber nur im Fall der Schwerhörigen. 1,00 0,90 0,80 Gütekoeffizient 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,63 0,66 0,63 0,71 0,62 0,45 0,63 0,89 0,63 0,88 0,62 0,90 O TW E R O O M D IN TW D O IN TW VE R B O O N E M O O R E O N E D IN D IN O N E VE R B 0,00 Normalhörende Schwerhörende Abbildung 4.1: Qualität der Hörfelberechnungen der 6 unterschiedlichen Modelle. Links die drei Modelle des 1-Komponenten Ansatzes, rechts die Modelle des 2-Komponenten Ansatzes. Dargestellt ist jeweils der Medianwert und die Interquartilbereiche des nichtlinearen Gütekoeffizienten Bnl für 8 Normalhörende und 15 Schwerhörige Der Grund dafür liegt darin, daß in diesem Fall der Vorteil des ZweiKomponenten Ansatzes zum Tragen kommt, nämlich die Aufteilung des Hörverlustes um eine Anpassung des Modells zu Erzielen. Da bei Normalhörenden der errechnete Hörverlust nur äußerst gering ist, kann hier die Aufspaltung auch keinen entsprechenden Vorteil bieten. - 27 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Die Qualität der unterschiedlichen Modelle liegt insgesamt sehr dicht beieinander, bei Normalhörenden ist die Güte der Hörfeldberechnungen praktisch bei allen Modellen identisch. Bei den Schwerhörigen fällt das Modell MOORE ONE deutlich ab. Auch die Interquartilbereiche sind bei Normalhörenden nahezu identisch. Bei den Schwerhörigen zeigt die deutliche Verkleinerung der Differenz aus erstem und drittem Quartil im Zwei-Komponenten Ansatz, daß bei diesen Berechnungen die Streuung der Güte stark zurückgeht. Die Zuverlässigkeit der Hörfeldberechnungen steigt für Schwerhörige also deutlich. Bei Normalhörenden schwankt die Güte der Berechnungen sehr stark. Dementsprechend beobachtet man hier einen sehr großen Interquartilbereich. Die Ursache dafür ist wohl in einer stark von der einzelnen Versuchsperson abhängigen Lautheitsempfindung zu suchen. Diese kann bei Schwerhörigen durch die Anpassung im Zwei-Komponenten Ansatz aufgefangen werden. Bei Normalhörenden bleibt diese Anpassung aber wirkungslos. Die Tatsache, daß im Ein-Komponenten Ansatz bei den Normalhörenden, die Interquartilbereiche deutlich größer sind als bei Schwerhörigen, ist vermutlich auf die verwendeten Versuchsdaten zurückzuführen. Bei den Schwerhörigen ist im Ein-Komponenten Ansatz das Modell nach DIN mit verbreiterten Frequenzgruppen minimal besser, als das Modell ohne diese Modifikation. Im Fall des Zwei-Komponenten Ansatzes sind die Gütekoeffizienten für Schwerhörige bei allen drei Modellen nahezu identisch. Den deutlichsten Qualitätssprung, beim Übergang vom Ein- zum Zwei-Komponenten Ansatz, erfährt das Modell nach Moore. Dieser in seinen Algorithmen aber komplizierteste Ansatz liefert keine wesentlich besseren Ergebnisse als die einfacheren Modelle, die auf dem Modell nach DIN basieren. 4.1.2 Berechnungen für einzelne Versuchspersonen Bei den Berechnungen für einzelne Personen soll hier beispielhaft auf eine Versuchsperson eingegangen werden und hierbei die Berechnungen im Ein- und im Zwei Komponenten Ansatz nach den Modellen DIN ONE und DIN TWO verglichen werden. - 28 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige Mittenfrequenz 500 Hz Mittenfrequenz 1600 Hz 50 50 40 0.81754 Lautheit / KU Lautheit / KU 40 30 20 10 0 0.078612 30 20 10 0 20 40 60 Pegel / dB 80 0 100 0 Mittenfrequenz 4000 Hz 20 40 60 Pegel / dB 80 100 Mittenfrequenz 6300 Hz 50 50 40 40 -2.0918 Lautheit / KU Lautheit / KU 4. Test der Modelle 30 20 10 -21.6204 30 20 10 0 0 0 20 40 60 Pegel / dB 80 100 0 20 40 60 Pegel / dB 80 100 Abbildung 4.2: Hörfeldberechnungen für VP 21 mit dem Modell DIN ONE. In der oberen Reihe bei einer Mittenfrequenz von 500 und 1600 Hz, in der unteren Reihe bei 4000 und 6300 Hz. Testschalle sind terzbreite Rauschen. Oben links ist jeweils der nichtlineare Gütekoeffizient Bnl eingetragen. Die Berechnungen im Ein-Komponenten Ansatz sind bei niedrigen Frequenzen (500 Hz) sehr gut. Der Gütekoeffizient Bnl für die Hörfeldberechnung nimmt hier Werte von ca. 0,8 an. Zu hohen Frequenzen hin wird die Berechnung zunehmend schlechter und nimmt sogar negative Werte an. Die Vorhersage des Modells ist also schlechter als eine Näherung rein durch den Mittelwert der Daten. - 29 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige Mittenfrequenz 500 Hz Mittenfrequenz 1600 Hz 50 50 40 0.81987 Lautheit / KU Lautheit / KU 40 30 20 10 0 0.9476 30 20 10 0 20 40 60 Pegel / dB 80 0 100 0 Mittenfrequenz 4000 Hz 40 60 Pegel / dB 80 100 50 40 40 0.59495 Lautheit / KU Lautheit / KU 20 Mittenfrequenz 6300 Hz 50 30 20 10 0 4. Test der Modelle -0.125 30 20 10 0 20 40 60 Pegel / dB 80 0 100 0 20 40 60 Pegel / dB 80 100 Abbildung 4.3: Hörfeldberechnungen für VP 21 mit dem Modell DIN TWO. In der oberen Reihe bei einer Mittenfrequenz von 500 und 1600 Hz, in der unteren Reihe bei 4000 und 6300 Hz. Testschalle sind terzbreite Rauschen. Oben links ist jeweils der nichtlineare Gütekoeffizient Bnl eingetragen. Im Zwei Komponenten Ansatz sind die Berechnungen bei niedrigen Frequenzen ebenfalls sehr gut. Der Gütekoeffizient Bnl nimmt hier nahezu den selben Wert an wie im Ein-Komponenten Ansatz, im Beispiel liegt er sogar minimal darüber. Das liegt daran, daß in diesem Frequenzbereich noch kein wesentlicher Hörverlust vorhanden ist, so daß zwischen den Modellen des Ein- und des Zwei-Komponenten Ansatzes hier kein Unterschied besteht. Zu höheren Frequenzen hin wird die Berechnung aber wesentlich besser als im Ein-Komponenten Ansatz. Lediglich bei einer Mittenfrequenz von 6300 Hz ist die Berechnung ebenfalls schlechter, als bei reiner Verwendung des Mittelwerts. Der Wert des Gütekoeffizienten ist aber wesentlich größer, als im Ein-Komponenten Ansatz, was durchaus als Qualitätsverbesserung zu interpretzieren ist. Zudem ist hier eine Anpassung äußerst schwierig, da nur zwei Meßwerte vorhanden sind. - 30 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4.2 Breitbandige Signale Die Anpassung der Modelle mit Hilfe der Würzburger Hörfelder entspricht einer Anpassung für schmalbandige Schalle. Als allgemeingültige Lautheitsmodelle sind sie aber nur sinnvoll anwendbar, wenn sie auch für Schalle mit beliebiger Bandbreite verlässliche Ergebnisse liefern. Außerdem sollen die verwendeten Algorithmen möglicherweise in zukünftigen Hörgerätegenerationen Anwendung finden, was diesen Anspruch noch unterstreicht, da die Geräuschkulisse in der Praxis selbstverständlich sowohl aus breitbandigen, als auch aus schmalbandigen Schallen besteht. Hier soll natürlich für alle eintretenden Schallereignisse eine korrekte Berechnung der Lautheit stattfinden bzw. die Verstärkung des eintreffenden Schalls den Bedürfnissen des Patienten entsprechend erfolgen. Im folgenden Abschnitt wird nun diese Eignung der Modelle überprüft. Die Daten dafür werden zum Teil aus der Literatur, zum Teil auch aus eigenen Hörversuchen, die die Lautheitssummation sowohl für Normal- als auch für Schwerhörende untersuchen, gewonnen. 4.2.1 Grundlagen der Lautheitssummation Bei der Lautheitssummation handelt es sich um einen spektralen Effekt, der bewirkt, daß Schalle größerer Bandbreite bei gleichem physikalischem Pegel als lauter wahrgenommen werden, als Schalle mit geringerer Bandbreite. Diese Eigenschaft des menschlichen Gehörs wird unter anderem „auf die Frequenzselektivität und die kompressiven Eigenschaften des peripheren auditorischen Systems zurückgeführt“ [Verhey 98]. Die Lautheitssummation spielt gerade im Bereich der Hörgeräteanpassung eine große Rolle, da die Einstellung der Hörgeräteparameter entweder für schmalbandige Schalle oder breitbandige Geräusche (ähnlich dem Sprachsignal) stattfindet. Wird nun die Lautheitssummation durch die verwendeten Algorithmen nur unzureichend nachvollzogen, so kann es bei schmalbandiger Anpassung vorkommen, daß breitbandige Geräusche zu laut werden [Kollmeier 97a]. Diese Probleme treten vor allem bei Hörgeräten auf, die eine zu geringe Zahl an Kanälen zur Verfügung stellen. Da die hier verwendeten Modelle alle mit je einem Kanal pro Frequenzgruppe arbeiten, sollte die Lautheitssummation gut nachvollzogen werden können. 4.2.2 Hörversuch zur Lautheitssummation Da zur Überprüfung der Modelle für breitbandige Schalle sowohl die Ruhehörschwelle als auch das Würzburger Hörfeld und Daten über die Lautheitssummation für die jeweiligen Versuchspersonen vorhanden sein müssen, wurden zu diesem Thema Hörversuche durchgeführt. Diese fanden in Anlehnung an die Versuche von Verhey [Verhey 98] statt. Dadurch sollten außerdem die von Verhey erzielten Ergebnisse nachvollzogen werden. Neben der Lautheitssummation bei stationären Schallen wurde zudem die Abhängigkeit dieses Effektes von der Schalldauer untersucht - 31 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4.2.2.1 Versuchsverfahren Die Aufgabe für die Versuchsteilnehmer bestand in einem Lautheitsvergleich zweier Schalle mit Hilfe eines adaptiven 2-AFC Verfahrens. Dazu war über eine Tastatur einzugeben, welcher von zwei Schallen als lauter empfunden wurde. Eine Entscheidung, daß beide Schalle gleich laut sind war nicht möglich (2-AFC). Auf diese Weise wurde der Pegel des Testschalls adaptiv mit einem 1-Schritt Verfahren auf den Pegel eingeregelt, bei dem er die gleiche Lautheitsempfindung bei der Versuchsperson hervorruft, wie der Referenzschall. Das heißt, wird das Testsignal als lauter empfunden, so wird dessen Pegel beim nächsten Vergleich erniedrigt, im umgekehrten Fall erhöht. Der Pegel des Referenzschalls bleibt während des gesamten Versuchs konstant. Der Testschallpegel wird, je nach Urteil des Probanden, um die aktuelle Schrittweite erhöht oder abgesenkt. Diese Schrittweite beträgt bei Versuchsbeginn 8 dB und wird bei jedem Umkehrpunkt halbiert, bis die minimale Schrittweite von 2 dB erreicht wird. Ein Umkehrpunkt ist dabei durch einen Wechsel von Verstärkung zu Dämpfung definiert, bzw. durch einen Wechsel der Entscheidung, welcher der beiden Schalle als lauter empfunden wurde. Als Versuchsergebnis dient der Medianwert über die Pegelwerte des Testschalls an den folgenden vier Umkehrpunkten. Es wurden zwei getrennte Versuche mit unterschiedlichen Schalldauern durchgeführt. Im ersten Versuch beträgt die Schalldauer 1 s, im zweiten Versuch nur noch 10 ms. Jeder dieser Versuche wurde von den Probanden vier mal durchgeführt. Der Schallpegel des Referenzschalls entspricht in beiden Versuchen einer Lautheit von 15 oder 30 KU. Ist für ein Schallpaar die Messung abgeschlossen, so wird dieses nicht mehr weiter dargeboten. Dies war ursprünglich zwar vorgesehen, wurde aber nicht praktiziert, da dadurch die Versuchsdauer über dem den Versuchspersonen zumutbaren Maß liegen würde. Die Darbietung der Testschallpaare erfolgte mit einem „interleaved“-Verfahren. Dabei werden innerhalb eines Versuchs alle möglichen Paare aus Referenz- und Testschallen in zufälliger Reihenfolge dargeboten, wobei zusätzlich die Reihenfolge von Test- und Referenzsignal zufällig war. Der Testschall eines solchen Paares aus Referenz- und Testschall, hatte jeweils zu Versuchsbeginn eine zufällige Pegeldifferenz zum Referenzschall, die einem Lautheitsunterschied von +/- 5 oder 0 KU entspricht. Im Laufe der Versuchsdurchführung wurde zusätzlich, zur Entscheidungsmöglichkeit für einen der beiden Schalle, noch die Option eingefügt, daß die Versuchsperson möglicherweise nur einen Schall wahrgenommen hat. Dies kann passieren, wenn der Testschall mit einer Lautheitsdifferenz von –5 KU zum Referenzschall dargeboten wird. Er sollte dann zwar immer noch eine Lautheitsempfindung von 10 KU, im Falle eines Schallpaares mit einer Lautheit von 15 KU, hervorrufen, falls aber die Interpolation des Hörfeldes in diesem Bereich nicht ausreichend mit der Realität übereinstimmt, kann diese Dämpfung bei einem Schwerhörigen zur Unhörbarkeit führen. - 32 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Abbildung 4.4: Versuchsablauf für ein Schallpaar. Grün: der konstatnte Pegel des Referenzschalls, Rot: Pegelverlauf des Testschalls. Blau gestrichelt: Pegel des Testschalls, der die gleiche Lautheitsempfindung hervorruft, wie der Referenzschall In Abbildung 4.4 ist der Versuchsablauf für ein Schallpaar graphisch dargestellt. Der Pegel des Referenzsignals besitzt einen konstanten Wert. Im Beispiel ist der Testschallpegel zu Versuchsbeginn höher als der Referenzpegel. Bei den beiden ersten Versuchsdurchgängen beurteilt die Versuchsperson den Testschall als lauter, als den Referenzschall. Der Testschallpegel wird also bei der jeweils nächsten Darbietung um 8 dB abgesenkt. Im dritten Durchlauf wird nun der Referenzschall als lauter empfunden. Hier liegt also ein Umkehrpunkt vor und die Schrittweite wird halbiert. Im folgenden wird also der Testschall um 4 dB verstärkt. Bei Darbietung acht wird die minimale Schrittweite von 2 dB erreicht. Die folgenden vier Umkehrpunkte (Darbietung Nummer 8, 10, 12 und 14) werden als Meßwerte erfaßt. Falls diese Meßwerte um mehr als 4 dB von einanderer abweichen, so wird in Schritt 16 eine weitere Messung vorgenommen. Der Pegel gleicher Lautheit entsteht als Median dieser vier Werte und wird als Versuchsergebnis gespeichert. 4.2.2.2 Testschalle Bei den verwendeten Testschallen handelt es sich um Rauschsignale verschiedener Bandbreite, die mit Hilfe von Liniensynthese erstellt wurden, wobei der Abstand der einzelnen Spektrallinien 1 Hz beträgt. Die Bandbreite ∆f betrug beim Referenzschall 400 Hz und bei den Testschallen 400, 800, 1600, 3200 und 6400 Hz, wobei die geometrische Mittenfrequenz f m jeweils bei 2000 Hz lag. Die obere Grenzfrequenz f go und die untere Grenzfrequenz f gu ergeben sich also aus fm = f go ⋅ f gu und ∆f = f go − f gu bei den bekannten Bandbreiten, über eine quadratische Gleichung, zu - 33 - (4.2), (4.3) Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige f go = ∆f + ∆f 2 + 4 f m2 2 4. Test der Modelle und f gu = f go − ∆f . (4.4), (4.5) Die sich somit ergebenden Werte für die Grenzfrequenzen sind in Tabelle 4.1 aufgeführt. ∆f / Hz: 400 800 1600 3200 6300 f gu / Hz: 1810 1640 1354 961 574 f go / Hz: 2210 2440 2954 4161 6974 Tabelle 4.1: Bandbreite und Grenzfrequenzen der im Hörversuch verwendeten Schalle. Die Dauer der Signale betrug 10 ms bzw. 1 Sekunde, wodurch sich 2 Versuchsreihen ergaben. Dadurch lassen die Versuche, über die Lautheitssummation bei stationären Schallen (1s Schalldauer) hinaus, auch Schlüsse auf die Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation zu. Der Pegel der Schalle wurde so gewählt, daß die Lautheitsempfindung bei Normal- und Schwerhörigen gleich ist. Als Darbietungslautheit des Referenzschalls wurden 15 bzw 30 KU gewählt. Dies entspricht bei Normalhörenden einem Darbietungspegel von 45 bzw. 70 dB. Der Pegel für die Darbietung bei schwerhörigen Versuchspersonen wurde mit Hilfe des Würzburger Hörfeldes der entsprechenden Versuchsperson bestimmt. Der zur bereits oben erwähnten Lautheitsdifferenz, zwischen Test- und Referenzschall, zu Beginn des Versuchs, gehörende Pegelunterschied wurde ebenfalls aus den Hörfeldern der Patienten ermittelt, damit dieser einer Lautheitsdifferenz von 0 oder +/- 5 KU entspricht. Bei einem Normalhörenden hat diese Differenz einen Wert von 10 dB. Würde man diesen Wert auch bei schwerhörigen Versuchspersonen verwenden, so wäre wegen des Recruitments, also der Versteilerung, der PegelLautheits-Funktion, ein Testschall mit einem relativen Pegel von +10 dB gegenüber dem Referenzschall unter Umständen bereits über der Unbehaglichkeitsschwelle. Die Anfangsschrittweite beträgt bei allen Versuchen und Versuchspersonen 8 dB. Eine solche Verstärkung des Testschalls kann aber dazu führen, daß er, aus oben bereits erwähnten Gründen über der Unbehaglichkeitsschwelle liegt. Deshalb wird der so entstehende maximale Pegel von der Versuchssteuerung überprüft und der Testschallpegel gegebenenfalls auf einen Pegel gedämpft, der einer Lautheit von 35 KU entspricht. Im Fall des Anfangspegels entsprechend –5 KU könnte eine Absenkung um 10 dB, wie sie bei Normalhörenden vorgenommen wird, ebenfalls zu extrem sein. In diesem Fall könnte dies dazu führen, daß der Testschall für einen Schwerhörigen gar nicht mehr hörbar ist, weshalb in der Versuchssteuerung die Möglichkeit eingebaut wurde, daß die Versuchsperson angeben kann, sie hätte nur einen Schall wahrgenommen. - 34 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4.2.2.3 Die Versuchspersonen Bei den Versuchspersonen handelte es sich um 8 Normalhörende und 7 Schwerhörige. Die Normalhörenden waren ausschließlich Lehrstuhlangehörige, wobei drei davon als geschulte Versuchspersonen anzusehen sind. Die Restlichen hatten mit Hörversuchen bislang weniger Erfahrung. Aus diesem Grund wurden die Versuchspersonen vor den Versuchen ausdrücklich darauf hingewiesen, darauf zu achten, lediglich die Lautheit der Signale zu beurteilen und sich nicht durch andere Schalleigenschaften ablenken zu lassen. Dies war nötig, da die Schalle, vor allem der schmalbandige Referenzschall, ausgeprägte tonale Komponenten enthielten. Diese beeinflussen unter Umständen andere Empfindungen, wie beispielsweise die Lästigkeit, und könnten so die Aufmerksamkeit der Versuchsperson von ihrer eigentlichen Aufgabe ablenken. Die Erkrankungen der Schwerhörigen waren von sehr unterschiedlicher Art. Es waren sowohl angeborene Innenohrschäden als auch Lärm- und Altersschwerhörigkeit vorhanden. Wie stark im einzelnen Fall der Hörverlust auf eine Schädigung des Innenohrs zurückzuführen ist, ist nicht genau bekannt, da die Diagnosemöglichkeiten hierfür sehr ungenau sind. Das Alter der Schwerhörigen überdeckte einen Bereich von 12-74 Jahren, die Normalhörenden waren 24 bis 30 Jahre alt. Die Ruhehörschwellen sämtlicher Versuchspersonen wurden, falls sie noch nicht bekannt waren, mit der Methode des Bekesy-Tracking bestimmt. Bei den schwerhörigen Versuchspersonen wurden darüber hinaus die Würzburger Hörfelder, mit dem Audiometer der Firma Westra electronic, ermittelt. 4.2.2.4 Der Versuchsaufbau Die Hörversuche wurden in einer schallisolierten Versuchskabine durchgeführt, wobei die Schalldarbietung über einen, am Lehrstuhl üblichen, Beyer DT-48 Kopfhörer erfolgte. Die Versuchspersonen sahen durch ein Sichtfenster einen Monitor, auf dem die Versuchsanleitung und die Eingabeaufforderung für die Versuchspersonen erschienen. Ihr Urteil gaben die Probanden über eine Tastatur in den Rechner ein. Der Kopfhörer war über einen Freifeldentzerrer, eine Eichleitung und einen Verstärker an die Analogausgänge eines DAT-Rekorders angeschlossen. Dieser diente der Digital / Analog Wandlung der Testsignale, die direkt aus dem Rechner über eine Digitalkarte wiedergegeben wurden. Mit Hilfe der Eichleitung wurde der Pegel eingestellt, der ja bei Schwerhörigen an deren Hörfeld angepasst werden mußte. Die Kontrolle des Wiedergabepegels erfolgte mit einem Röhrenvoltmeter, das am Ausgang der Eichleitung parallel zum Freifeldentzerrer angeschlossen war. - 35 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Abbildung 4.5: Versuchsaufbau 4.2.3 Versuchsergebnisse 4.2.3.1 Messdaten für Normalhörende 5 0 -5 400Hz 800 Hz 1600 Hz 3200 Hz 6400 Hz -10 -15 -20 -25 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB 5 0 -5 400Hz 800 Hz 1600 Hz 3200 Hz 6400 Hz -10 -15 -20 -25 Bandreite des Testschalls / Hz Bandreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.6: Lautheitssummation bei Normalhörenden. Links bei einer Schalldauer von 10 ms, rechts Schalldauer 1 s. Blau: 15 KU, Rot: 30 KU Lautheit. Dargestellt sind die Medianwerte und Interquartilbereiche über 8 Versuchspersonen. Die beiden Diagramme in Abbildung 4.6 zeigen die Lautheitssummation bei Normalhörenden für eine Schalldauer von 10 ms (Links) und 1 s (Rechts). Dargestellt ist die jeweilige Pegeldifferenz Zwischen Test- und Referenzschall, die für eine gleiche Lautheitsempfindung dieser beiden Schalle bei der Testperson nötig ist. Dabei bedeutet eine negative Pegeldifferenz, daß der Testschall gedämpft werden muß, um die gleiche Lautheitsempfindung wie der Referenzschall, hervorzurufen. Während im stationären Fall (1 s Schalldauer) die Lautheitssummation für die verwendeten Schalle, bei einer Lautheit von 30 KU, einen maximalen Wert von ca. 10 dB annimmt, beträgt das Maximum hier bei einer Schalldauer von 10 ms ca. 20 dB. Bei einer Lautheit von 15 KU sind die erhaltenen Werte dagegen nahezu identisch. Bei den - 36 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle kürzeren Schallen scheint zwar eine minimal größere Lautheitssummation vorhanden zu sein, jedoch überlappen sich die Interquartilbereiche, so daß man hier von keinem signifikanten Unterschied sprechen kann. Die Lautheitssummation ist also offenbar bei kürzeren Schallen deutlich ausgeprägter, wenn die Schalle eine angemessene Lautheit besitzen. Zwischen einer Darbietungslautheit von 15 KU und 30 KU ist bei den stationären Schallen nur eine geringe Differenz festzustellen. Bis zu einer Bandbreite von 3200 Hz ist die Lautheitssummation bei den leiseren Schallen etwas größer als bei den lauten. Bei einer Bandbreite von 6400 Hz bleibt die Lautheitssummation bei einer Lautheit von 15 KU aber nahezu identisch mit 30 KU. Die lauteren Schalle verursachen hier bei einer Darbietungszeit von 10 ms eine um etwa 8 dB größere Lautheitssummation, wobei sich auch die Interquartile nicht überschneiden. Hier scheint also eine Abhängigkeit vom Pegel und damit von der Lautheit vorhanden zu sein. Bei den stationären Schallen erhält man hier für beide Schalldauern in etwa den selben Wert. Auffällig ist bei einer Lautheit von 15 KU, daß bei einer Bandbreite von 6400 Hz, sowohl bei einer Schalldauer von 10 ms als auch bei 1 s, die Lautheitssummation gegenüber 3200 Hz Bandbreite wieder abnimmt bzw. konstant bleibt. Möglicherweise ist dies auf die Wahl des Referenzschalls (400 Hz Bandbreite) zurückzuführen. Dieser besitzt ausgeprägte tonale Komponenten und besitzt dadurch eine wesentlich größere Lästigkeit als die breitbandigeren Signale. Da einige der Versuchspersonen bisher keine Erfahrungen mit Hörversuchen hatten, ist nicht auszuschließen, daß sie die Lästigkeit des Referenzschalls in ihr Lautheitsurteil mit aufgenommen haben. Da jedoch die Interquartilbereiche sehr klein sind, handelt es sich hierbei möglicherweise um ein generelles Phänomen dessen Erklärung weiterer Untersuchungen bedarf. 5 5 -5 0 400Hz 800 Hz 1600 Hz 3200 Hz 6400 Hz -10 -15 -20 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB 0 -5 400Hz 800 Hz 1600 Hz 3200 Hz 6400 Hz -10 -15 -20 -25 -25 Bandreite des Testschalls / Hz Bandreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.7: Lautheitssummation bei Normalhörenden. Links bei einer Schalldauer von 10 ms, rechts 1 s. Blau: 15 KU, Rot: 30 KU. Ausreßer wurden weggelassen Nimmt man die Daten der Versuchspersonen, für die der Verdacht besteht, sie haben nicht nur die Lautheit der Schalle beurteilt, sondern auch die Lästigkeit miteingehen lassen, ergeben sich für die Lautheitssummation die Werte, wie sie in Abbildung 4.7 dargestellt sind. Hierbei wurden, bei einer Dauer von 10 ms die Daten von zwei Versuchspersonen und bei einer Dauer von 1 s drei Versuchspersonen jeweils bei einer Lautheit von 15 KU weggelassen. - 37 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Dadurch wird der Unterschied im Maximum der Lautheitssummation bei unterschiedlicher Schalldauer wesentlich deutlicher. Im Fall einer Lautheit von 15 KU steigt er auf einen Wert von fast 5 dB Differenz zwischen 10 ms und 1 s Schalldauer. Der Unterschied der Lautheitssummation zwischen einer Lautheit von 15 KU und 30 KU bei 6400 Hz Bandbreite bleibt, im Fall einer Schalldauer von 10 ms, bestehen. Bei einer Schalldauer von 1 s ist aber nach wie vor kein signifikanter Unterschied festzustellen. 4.2.3.2 Messdaten für Schwerhörige 5 0 -5 400Hz 800 Hz 1600 Hz 3200 Hz 6400 Hz -10 -15 -20 -25 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB 5 0 -5 400Hz 800 Hz 1600 Hz 3200 Hz 6400 Hz -10 -15 -20 -25 Bandbreite des Testschalls / Hz Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.8: Lautheitssummation bei Schwerhörigen. Links bei einer Schalldauer von 10 ms, rechts 1 s. Blau: 15 KU Rot: 30 KU. Dargestellt sind die Medianwerte und Interquartilbereiche über 7 Versuchspersonen. Abbildung 4.8 zeigt die Versuchsergebnisse für die schwerhörigen Versuchspersonen in gleicher Form, wie Abbildung 4.6 für Normalhörende. Offensichtlich ist die Lautheitssummation bei Schwerhörigen, wie erwartet, wesentlich geringer als bei Normalhörenden. Dies ist ein Indiz für die Richtigkeit der Annahme, daß die Lautheitssummation bei Schwerhörigen beeinträchtigt ist, was sich wiederum durch die vermutete geringere Frequenzselektivität erklären läßt. Das Maximum beträgt nur ca. 5 dB, wobei hier die Schalldauer keine Rolle zu spielen scheint. Andererseits ist aber nicht auszuschließen, daß bei den Schwerhörigen ein großer Teil des Testschallspektrums unterhalb der Ruhehörschwelle liegt und so eine steigende Bandbreite nur zu einem kleinen Teil vom Gehör wahrgenommen wird. Im Fall einer Schalldauer von 1 s ist die Lautheitssummation für beide Lautheiten nahezu identisch. Bei 10 ms Dauer ist das Maximum bei einer Lautheit von 30 KU bei ca. 4 dB, bei 15 KU nur bei 2 dB. Bei 30 KU erhält man hier also den doppelten Wert. In Anbetracht der Absolutwerte von 2 und 4 dB sowie der Tatsache, daß sich die Interquartilbereiche stark überlappen, sollte man dieser Eigenschaft aber keine zu große Bedeutung zu kommen lassen. Die Tatsache, daß sich die Werte für die Lautheitssummation für unterschiedliche Schalldauern nur unwesentlich unterscheiden, läßt darauf schließen, daß bei Schwerhörigen möglicherweise ein verändertes zeitliches Integrationsverhalten vorhanden ist. - 38 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4.2.4 Vergleich mit Berechnungen der einzelnen Modelle 4.2.4.1 Normalhörende im Mittel DIN ONE VERB 0 0 0 -5 -10 -20 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB 5 0 0 0 -10 -15 -20 Pegeldifferenz / dB 5 -5 -5 -10 -15 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz MOORE TWO 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 5 -5 -10 -15 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.9: Lautheitssummation für Normalhörende, bei einer Lautheit von 15 KU und einer Schalldauer von 1s. Obere Reihe: die drei Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet. In Abbildung 4.9 ist wiederum die Pegeldifferenz zwischen Test- und Referenzschall, für unterschiedliche Bandbreiten des Testschalls, dargestellt. Darüber hinaus sind die Berechnungen der sechs verschiedenen Modelle jeweils als durchgezogene Linien eingezeichnet. Bei Normalhörenden wird die Lautheitssummation, bei einer Schalldauer von 1 s und einer Lautheit von 15 KU, durch die Modellberechnungen nahezu perfekt nachvollzogen. Die Berechnungen liegen hier nicht nur innerhalb der ermittelten Interquartilbereiche, sondern ergeben bis auf eine Abweichung von maximal ca. 1 dB die Medianwerte aus den Versuchen. Dabei tritt keines der Modelle positiv oder negativ hervor. - 39 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige DIN ONE VERB 5 0 0 0 -5 -10 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB MOORE TWO 5 5 0 0 0 -5 -10 -15 Pegeldifferenz / dB 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 4. Test der Modelle -5 -10 -15 -20 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -5 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.10: Lautheitssummation für Normalhörende, bei einer Lautheit von 30 KU und einer Schalldauer von 1s. Obere Reihe: die drei Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet. Auch bei einer Lautheit von 30 KU (Abbildung 4.10) beträgt die Abweichung zwischen Berechnung und Versuch nur maximal ca. 5-8 dB. Allerdings ermittelt das Modell bei einer Bandbreite von 3200 Hz eine Pegeldifferenz von ca. 10 dB, wobei die Versuche eine mittlere Pegeldifferenz von ca. 5 dB ergaben. Das Modell berechnet also in etwa einen doppelt so großen Summationseffekt. Da die Lautheit von 30 KU einem Darbietungspegel von 70 dB entspricht, ist hierfür möglicherweise der Effekt verantwortlich, daß bei höheren Pegeln die Lautheitssummation wieder abnimmt. Dieses Ergebnis von Zwicker wird unter 4.2.5.3 noch erläutert und näher untersucht. - 40 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4.2.4.2 Schwerhörige im Mittel DIN ONE VERB 0 0 0 -5 -10 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB MOORE TWO 5 5 0 0 0 -5 -10 -15 Pegeldifferenz / dB 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 5 -5 -10 -15 -20 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -5 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.11: Lautheitssummation für Schwerhörige, bei einer Lautheit von 15 KU und einer Schalldauer von 1s. Obere Reihe: die drei Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet. Auch bei den Schwerhörigen treffen die Modellberechnungen im Mittel zu und stimmen sehr gut mit den Versuchsergebnissen überein. So sind die Berechnungen aller Modelle, außer dem modifizierten Modell nach Moore im Ein-Komponenten Ansatz, innerhalb der Interquartilbereiche. Die einzelnen Modellberechnungen weichen leicht voneinander ab, eine Bevorzugung eines bestimmten Modells findet aber wiederum weder bei einer Lautheit von 15 noch bei 30 KU statt. Auch die Berechnungen für eine Lautheit von 30 KU stimmen mit den Versuchsergebnissen sehr gut überein. Dabei weichen die Modellberechnungen zwar deutlich voneinender ab, liegen jedoch bis auf wenige Ausnahmen im Interqurtilbereich der Versuchsergebnisse. - 41 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige DIN ONE VERB 5 0 0 0 -5 -10 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB MOORE TWO 5 5 0 0 0 -5 -10 -15 Pegeldifferenz / dB 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 4. Test der Modelle -5 -10 -15 -20 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -5 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.12: Lautheitssummation für Schwerhörige, bei einer Lautheit von 30 KU und einer Schalldauer von 1s. Obere Reihe: die drei Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet. Die äußerst geringen Unterschiede zwischen Ein- und Zwei-Komponenten Ansatz liegen darin begründet, daß die Elemente des, für die Versuchspersonen, errechneten k-Vektors sehr nahe bei 1 liegen. In diesem Fall gehen die Modelle des Zwei-Komponenten Ansatzes, wie beschrieben, in die Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes über. Die Auswirkungen eines stark von 1 abweichenden k-Vektors werden in Abschnitt 4.2.4.3 verdeutlicht. - 42 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 4.2.4.3 Einzelne Berechnungen DIN ONE VERB 0 0 0 -5 -10 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB MOORE TWO 5 5 0 0 0 -5 -10 -15 Pegeldifferenz / dB 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 5 -5 -10 -15 -20 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -5 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.13: Lautheitssummation für einen Schwerhörigen (VP 10), bei einer Lautheit von 30 KU und einer Schalldauer von 1s. Obere Reihe: die drei Modelle des EinKomponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet. Die Graphik zeigt die Versuchsergebnisse und die Modellberechnungen für eine schwerhörige Versuchsperson. Die Messwerte zeigen eine, zu größeren Bandbreiten hin, wieder abnehmende Pegeldifferenz. Dabei ist es nun, wie bereits erwähnt, unklar, ob dies auf einen Lästigkeitseffekt zurückzuführen ist, oder ob dies den tatsächlichen Gegebenheiten entspricht. In diesem Fall weicht jedenfalls die Modellberechnung sehr stark, und vor Allem schon in ihrer Tendenz, von den Versuchsergebnissen ab. Untenstehend sind die Berechnungen für einen Probanden dargestellt, für den sich ein k-Vektor, dessen Komponenten größtenteils stark von 1 abweichen, ergab. Deshalb sollten hier die Modelle des Zwei-Komponenten Ansatzes, durch ihre Anpassung an den Patienten, deutlich im Vorteil sein, was sich bei einer Lautheit von 15 KU auch bestätigt. Die Modellberechnungen weichen zwar immer noch stark von den Versuchsergebnissen ab, sie vermögen aber zumindest die Tendenz des - 43 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Hörversuchs nachzuvollziehen und sind, gegenüber den Berechnungen des EinKomponenten Ansatzes, wesentlich näher an der Realität. DIN ONE VERB 0 0 0 -5 -10 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB MOORE TWO 5 5 0 0 0 -5 -10 -15 Pegeldifferenz / dB 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 5 -5 -10 -15 -20 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -5 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.14: Lautheitssummation für einen Schwerhörigen (VP 21), bei einer Lautheit von 15 KU und einer Schalldauer von 1s. . Obere Reihe: die drei Modelle des EinKomponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet Bei einer Lautheit von 30 KU (Abbildung 4.15) sind aber gerade die Berechnungen im Zwei-Komponenten Ansatz bei großen Bandbreiten schlechter als im Ein-Komponenten Ansatz. Betrachtet man aber die Gesamtheit, also 15 und 30 KU, ist hier der Zwei-Komponenten Ansatz deutlich gegenüber dem Ein-Komponenten Ansatz überlegen. Zudem tritt bei dieser Versuchsperson auch der Effekt ein, daß der Pegel des Testschalls mit einer Bandbreite von 6400 Hz gegenüber dem mit 3200 Hz wieder leicht steigt, weshalb dieser Wert eventuell nicht der tatsächlichen Lautheitsempfindung entspricht. - 44 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige DIN ONE VERB 5 0 0 0 -5 -10 Pegeldifferenz / dB 5 -15 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz DIN TWO VERB MOORE TWO 5 5 0 0 0 -5 -10 -15 Pegeldifferenz / dB 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB MOORE ONE 5 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN ONE 4. Test der Modelle -5 -10 -15 -20 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz -5 -20 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 4.15: Lautheitssummation für einen Schwerhörigen (VP 21), bei einer Lautheit von 30 KU und einer Schalldauer von 1s. . Obere Reihe: die drei Modelle des EinKomponenten Ansatzes. Untere Reihe: Zwei-Komponenten Ansatz. Die durchgezogene grüne Linie stellt die vom entsprechenden Modell berechneten Werte dar, in Blau sind die Medianwerte der Versuchsergebnisse und die Interquartilbereiche eingezeichnet 4.2.5 Vergleich der Ergebnisse mit der Literatur 4.2.5.1 Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation nach Verhey Die Versuche von Verhey [Verhey 98] zur Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation dienten als Vorbild für die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche. Die Versuchsschalle waren also identisch, der Darbietungspegel betrug bei den Versuchen von Verhey jedoch 55 dB. Die Ergebnisse wurden wiederum mit allen Modellen nachberechnet. Da Verhey nur Normalhörende Versuchspersonen in die Untersuchungen aufnahm, wurde dies auch nur für Normalhörende durchgeführt. - 45 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Abbildung 4.16: Daten zur Lautheitssummation bei Normalhörenden nach Verhey (aus [Verhey 98]). Darbietungspegel 55 dB. Links: 10 ms Schalldauer, rechts: 1 s Pegeldifferenz / dB 5 0 -5 -10 -15 -20 200 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite / Hz Abbildung 4.17: Berechnung der Lautheitssummation bei Normalhörenden bei einem Darbietungspegel von 55 dB und einer Schalldauer von 1 s. Berechnung mit dem Modell DIN TWO VERB In den Graphiken ist, wie in den vorangegangenen Abschnitten, die sich für eine gleiche Lautheitsempfindung ergebende Pegeldifferenz, zwischen Test- und Referenzschall, dargestellt. Die Versuchsergebnisse von Verhey für Normalhörende konnten mit den erstellten Modellen sehr gut nachvollzogen werden. Die Berechnungen wurden nur für eine Schalldauer von 1 s durchgeführt. Lediglich bei einer Bandbreite des Testschalls von 200 Hz tritt, eine Differenz von ca. 2 dB auf. Dabei sind aber möglicherweise die Versuchsergebnisse von Verhey nicht korrekt. Da ein Schall geringerer Bandbreite, bei gleichem Darbietungspegel, eine niedrigere Lautheit besitzen sollte, dürfte der Wert, den Verhey erhielt, möglicherweise auf Einflüsse, die sich durch die Wahl der Testschalle ergeben, zurückzuführen sein. Der von Verhey im Versuch erhaltene Wert liegt aber in einem Bereich, in dem er auch durch Messungenauigkeiten oder eine zu geringe Anzahl an Versuchspersonen verursacht worden sein kann. Im Fall einer Schalldauer von 10 ms bestätigt sich, daß auch bei diesen geringen Bandbreiten der Schall mit 200 Hz Bandbreite gegenüber 400 Hz verstärkt werden muß. 4.2.5.2 Messungen der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden nach Appell und Hohmann Appell und Hohmann führten Messungen zur Lautheitssummation bei Normalund Schwerhörigen mit Hilfe der kategorialen Lautheitsskalierung durch [Appell et al. 98a und 98b]. Die verwendeten Testschalle waren gleichmäßig anregende Rauschen mit einer Bandbreite von 1, 3, 5, 9 und 17 Bark mit einer Dauer von 2 Sekunden. Die - 46 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 100 100 90 90 80 80 Pegel / dBSPL Pegel / dBSPL Mittenfrequenz lag bei 10 Bark. Als „Referenzschall“ diente das 1 Bark breite Rauschen, wobei die Daten durch einen indirekten Vergleich entstanden. Es wurden keine Hörversuche durchgeführt, bei denen die einzelnen Schalle miteinander verglichen wurden, sondern es wurden die Pegel-Lautheitsfunktionen der einzelnen Schalle bestimmt und daraus „der Beitrag zur Lautheitssummation relativ zu dem 1 Bark breiten Rauschen bei den Pegeln 40, 60 und 80 dB SPL bestimmt“ [Appell et al. 98a]. 70 60 70 60 50 50 40 40 30 30 UEN 1 UEN 3 UEN 5 UEN 9 UEN 17 UEN 1 Bandbreite des UEN / Bark UEN 3 UEN 5 UEN 9 UEN 17 Bandbreite des UEN / Bark Abbildung 4.18: Lautheitssummation bei Normalhörenden (links) und Schwerhörigen (rechts) nach Appell. Durchgezogene Linie: Berechnungen nach DIN TWO VERB. Gestrichelte Linie: Median und Interquartile der Messungen von Appell. Als Ergebnis dieser Versuche wurde festgestellt, daß die Lautheitssummation bei Schwerhörigen im Mittel geringer ausfällt als bei Normalhörenden. Dies konnte mit den während dieser Arbeit durchgeführten Versuchen bestätigt werden. In der Graphik ist stellvertretend für die erstellten Modelle das Modell DIN TWO VERB dargestellt, da die einzelnen Berechnungen nur sehr wenig voneinander abweichen. Im Fall der Normalhörenden stimmen die Berechnungen relativ gut überein und liegen immer im Interquartilbereich der Versuchsergebnisse. Bei den Schwerhörigen sind die Ergebnisse der Berechnung auch größtenteils innerhalb des Interquartilbereichs, weichen jedoch vom Medianwert teils stark ab. Die Tatsache der Verringerten Lautheitssummation wird von den Modellen zwar nachvollzogen, aber nicht in dem Ausmaß, das die Versuchsergebnisse von Appell und Hohmann prognostizieren. - 47 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle 20 20 15 15 L_nbn-L_wbn L_nbn-L_wbn 4.2.5.3 Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation nach Zwicker und Florentine Bei den Versuchen, die Zwicker und Florentine 1978 [Florentine et al. 78] durchführten, sollte ein Modell zur Vorhersage der Lautheitssummation auf Schwerhörige angewendet werden. Im Versuch wurde die Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation bestimmt indem der Pegel des Referenzschalls von 0 bis 90 dB in 10-dB-Schritten gesteigert wurde. Dazu wurden Testschalle mit einer Mittenfrequenz von 500 Hz und einer Bandbreite von 85 bzw. 786 Hz und einer Mittenfrequenz von 4000 Hz und Bandbreiten von 709 und 5909 Hz verwendet. Die Schalle wurden jeweils aus weißem Rauschen ausgeschnitten, wobei die Mittenfrequenz der geometrische Mittelwert der Eckfrequenzen war. Als Referenzschall diente in beiden Versuchsreihen das Schmalbandrauschen. Die verwendeten Filter hatten eine Flankensteilheit von mindestens 100 dB / Oktave. 10 5 0 10 5 0 -5 -5 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 L_nbn L_nbn Abbildung 4.19: Lautheitssummation bei Normalhörenden. Der Pegel des Referenzschalls Lnbn variiert von 20 bis 90 dB. Berechnungen mit dem Modell DIN TWO sind als blaue Linie eingezeichnet. Die roten Punkte sind die Messwerte von Zwicker und Florentine. Links: Mittenfrequenz 500 Hz, rechts 4000 Hz. In der Graphik ist die Lautheitssummation als Pegeldifferenz Lnbn − Lwbn aus schmalbandigem (nbn = narrow band noise) und breitbandigem (wbn = wide band noise) Signal, für die verwendeten Werte des Pegels des Schmalbandrauschens, dargestellt. Da die Berechnungen, der 6 im Rahmen dieser Arbeit erstellten Modelle, nicht mehr als 1 dB voneinander abweichen, ist in obenstehender Graphik beispielhaft die Berechnung des Modells DIN TWO eingetragen. Es wurde lediglich die Lautheitssummation für Normalhörende nachberechnet, da von den schwerhörigen Versuchspersonen nur ungefähre Angaben über deren Hörverlust in der Veröffentlichung von Zwicker und Florentine vorhanden sind. Man erkennt eine deutliche „Bandpaßcharakteristik“ bei den originalen Messwerten (rote Kreise). Die Lautheitssummation nimmt vor allem bei einer Mittenfrequenz von 4000 Hz zu hohen Pegeln hin wieder stark ab. Bei einer Mittenfrequenz von 500 Hz ist dieser Effekt wesentlich schwächer ausgeprägt und zeigt sich nur beim Übergang von 80 auf 90 dB Schallpegel. Die Modellberechnungen können dies nicht bzw. nur in sehr geringem Maße nachvollziehen, was auch bei den originalen Modellberechnungen von Zwicker und Florentine, die in Abbildung 4.20 dargestellt sind, zu beobachten war. - 48 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 4. Test der Modelle Außerdem berechnet das Modell DIN TWO bei einer Mittenfrequenz von 500 Hz eine Lautheitssummation, die generell größer ist, als die in den Versuchen ermittelten Werte. Ab einem Referenzschallpegel von ca. 60 dB wird die Lautheitssummation um 5 bis 10 dB zu hoch angenommen. Hier stimmen die Berechnungen von Florentine und Zwicker wesentlich besser mit den Versuchsergebnissen überein, was man Abbildung 4.20 entnehmen kann. Abbildung 4.20: Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden nach Florentine und Zwicker (aus [Florentine et al. 78] in Abhängigkeit vom Pegel des Referenzschalls ( L NBN ). Offene Kreise repräsentieren die Medianwerte der Normalhörenden, ausgefüllte stehen für Schwerhörige. Die Kreuze stellen die Berechnungen des von Zwicker und Florentine verwendeten Lautheitsmodells dar.(aus [Florentine et al. 78]) In der Graphik stellen die Kreuze die von Zwicker und Florentine erhaltenen Ergebnisse der Berechnungen dar. Diese stimmen, bei einer Mittenfrequenz von 4000 Hz, sehr gut mit den Berechnungen des Modells DIN TWO und auch mit den Werten aus den Versuchen überein. Die Pegelabhängigkeit der Lautheitssummation, insbesondere das Absinken zu hohen Pegeln hin, kann das von Florentine und Zwicker verwendete Modell jedoch ebenfalls nicht nachvollziehen. Bei einer Mittenfrequenz von 500 Hz liegen die Berechnungen des von Florentine und Zwicker verwendeten Modells, im Gegensatz zu den von DIN TWO ermittelten Werten, meist unterhalb der Werte aus den Versuchen. - 49 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 5. Zusammenfassung 5 Zusammenfassung und Ausblick Diese Arbeit diente der Erstellung und Überprüfung verschiedener Lautheitsmodelle für Innenohrschwerhörige. Dabei wurden in die einzelnen Modelle verschiedene Modifikationsmöglichkeiten bzw. verschiedene Kombinationen dieser Möglichkeiten implementiert, was insgesamt zu sechs unterschiedlichen Lautheitsmodellen führte. Dabei verfolgen drei den Ein-Komponenten Ansatz und drei weitere den Zwei-Komponenten Ansatz. Der Unterschied, vom Ein- zum ZweiKomponenten Ansatz, liegt in der Aufspaltung des Hörverlustes in einen Anteil, der einem Sensitivitätsverlust des Gehörs entspricht und einen weiteren, der den Kompressionsverlust wiederspiegelt. Für diese Aufspaltung wurde ein Faktor eingeführt, der in jeder Frequenzgruppe den Hörverlust in die genannten Teile aufspaltet. Zur Ermittlung dieses Faktors werden die sogenannten Würzburger Hörfelder, der entsprechenden Versuchsperson, verwendet, um eine individuelle Anpassung der Lautheitsmodelle zu erreichen. Für Normalhörende besteht also kein Unterschied zwischen den Modellen des Ein- und des Zwei-Komponenten Ansatzes, da hier kein Hörverlust vorhanden ist. Im Fall, daß nur ein errechneter Verlust der Kompressivität vorhanden ist (k=1), gehen die Modelle des Zwei-Komponenten Ansatzes in die Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes über. Die, mit den angepassten Modellen, im Zwei-Komponenten Ansatz berechneten Hörfelder, für einzelne Versuchspersonen, stimmen vor allem bei Schwerhörigen sehr gut mit den gemessenen Hörfeldern überein. Erwartungsgemäß findet bei Normalhörenden keine Verbesserung statt. Es hat sich hierbei aber keines der erstellten Modelle, gegenüber den anderen Modellen, als überlegener Ansatz herausgestellt. Bei der Berechnung der Lautheitssummation konnte ebenfalls nicht festgestellt werden, ob eines der Modelle besonders gut geeignet ist. Die Versuchsergebnisse konnten im Mittel für eine Schalldauer von 1 s gut nachvollzogen werden. Wie an Hand des in Abschnitt 4.2.4.3 geschilderten Beispiels zu sehen, ist auch hier der ZweiKomponenten Ansatz gegenüber dem Ein-Komponenten Ansatz im Vorteil. Die individuellen Versuchsergebnisse, für einzelne Probanden, können aber dennoch nur sehr ungenau nachvollzogen werden. Die Lautheitsempfindung ist hier wohl starken individuellen Schwankungen unterworfen, die aber im Zwei-Komponeten Ansatz, bei Schwerhörigen, durch die Aufspaltung des Hörverlustes, aufgefangen werden können.. Offen bleibt bei den erstellten Modellen die Eignung für sehr kurze Schalle, wie sie in den Hörversuchen mit 10 ms Schalldauer verwendet wurden. Im Anhang wird zwar noch eine erste primitive Möglichkeit eines dynamischen Modells vorgestellt, da hierbei aber eine rein lineare Operation in Form eines Tiefpasses zur Nachbildung des zeitlichen Verhaltens des menschlichen Gehörs verwendet wird, lassen sich hiermit die - 50 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 5. Zusammenfassung Auswirkungen auf die Lautheitssummation nicht hinreichend beschreiben, da beispielsweise keinerlei Anpassung an das Spektrum des verwendeten Schalles implementiert ist. Offen bleibt außerdem die Frage, ob die Versuchspersonen, wie vermutet, dazu neigen, die Lautheit des hier verwendeten Referenzschalls auf Grund seiner Lästigkeit, gerade im Vergleich mit sehr breitbandigen Schallen, falsch zu beurteilen. Dazu sollten im Rahmen zukünftiger Arbeiten, weitere Hörversuche durchgeführt werden, bei denen beispielsweise ein Referenzschall höherer Bandbreite gewählt wird. Insgesamt hat sich der Zwei-Komponenten Ansatz als deutlich gegenüber dem EinKomponenten Ansatz überlegen herausgestellt. Dabei hat sich allerdings keines der Modelle von den anderen abgehoben. Die Implementierung verbreiterter Frequenzgruppen und sogar einer veränderten Flankensteilheit erbrachte keine Vorteile. Die Ausschlaggebende Verbesserung findet beim Übergang vom Ein- zum ZweiKomponenten Ansatz statt. Deshalb kann man für weitere Arbeiten und als Grundlage für Lautheitsberechnungen das Modell DIN TWO auf Grund seiner geringeren Komplexität und damit geringeren Rechenzeit, empfehlen. - 51 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 6. Literaturverzeichnis 6 Literaturverzeichnis [Appell et al. 98a] J. Appell, V. Hohmann, 1998, Messung der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden, DAGA 98, DEGA e.V. Oldenburg, S. 306-307 [Appell et al. 98b] J. Appell, V. Hohmann, 1998, Messung der Lautheitssummation bei Normal- und Schwerhörenden, pers. Mitteilung [Fastl et al. 97] H. Fastl, W. Schmid, 1997, Comparison of Loudness Analysis Systems, Proceedings Inter-noise ’97, Vol. II, S. 981-986 [Florentine et al. 78] M. Florentine, E. Zwicker, 1978, A Model of Loudness Summation applied to Noise-Induced Hearing Loss, Hearing Research 1979, S. 121-132 [Florentine et al. 97] M. Florentine, S. Buus, R. P. Hellman, 1997, A Model of Loudness Summation Applied to High-Frequency Hearing Loss, Editor Walt Jesteadt, Modelling Sensorineural Hearing Loss, 1997, Lawrence Erlbaum Associates Publishers, London [Heller 85] O. Heller, 1985, Hörfeldaudiometrie mit dem Verfahren der Kategorienunterteilung (KU), Psychol. Beiträge 27, S. 478-493 [Hellbrück 93] J. Hellbrück, 1993, Hören – Physiologie, Psychologie und Pathologie, Hogrefe [Hohmann 93] V. Hohmann, 1993, Dynamikkompression für Hörgeräte – Psychoakustische Grundlagen und Algorithmen, VDI-Verlag Düsseldorf [Kollmeier 97a] B. Kollmeier, 1997, Bedeutung der Lautheitsskalierung für die Hörgeräteentwicklung, in Editor B. Kollmeier, 1997, Hörflächenskalierung – Grundlagen und Anwendung der kategorialen Lautheitsskalierung für Hördiagnostik und Hörgeräteversorgung, Median-Verlag, S. 212-231 [Kollmeier 97b] B. Kollmeier, S. Launer, V. Hohmann, 1997, Methoden zur Lautheitsmessung, in Editor B. Kollmeier, 1997, Hörflächenskalierung – Grundlagen und Anwendung der kategorialen Lautheitsskalierung für Hördiagnostik und Hörgeräteversorgung, Median-Verlag, S. 41-51 [Kollmeier 97c] B. Kollmeier, 1997, Physik, Physiologie und Psychologie der Lautheitswahrnehmung, in Editor B. Kollmeier, 1997, Hörflächenskalierung – Grundlagen und Anwendung der kategorialen Lautheitsskalierung für Hördiagnostik und Hörgeräteversorgung, Median-Verlag, S. 21-41 [Launer 95] S. Launer, 1995, Loudness Perception in Listeners with Sensorineural Hearing Impairment [Moore 95] B. C. J. Moore, B. R. Glasberg, D. A. Vickers, 1995, Factors influencing Loudness Perception in People with Cochlear Hearing Loss, in Editor B. Kollmeier, Psychoacoustics and Hearing, 1995, world scientific, S.7-18 - 52 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 6. Literaturverzeichnis [Marquardt 64] D. W. Marquardt, 1964, an algorithm für least-aquares estimation of nonlinear parameters, Journal of the society for industrial and applied mathematics 1964, S. 431-441 [Paulus 72] E. Paulus, E. Zwicker, 1972, Programme zur automatischen Bestimmung der Lautheit aus Terzpegeln oder Frequenzgruppenpegeln, ACUSTICA 27, S. 253266 [Press 94] W. H. Press, S. A. Teukolsky, BW. T. Vetterling, B. P. Flannery, 1994, Numerical Recipes in C – the Art of Scientific Computing, 2nd Edition, S. 689 [Terhardt 79] E. Terhardt, 1979, Calculating Virtual Pitch, Hearing Research 1, S. 155182 [Verhey 98] J. Verhey, B. Kollmeier, 1998, Messungen zur zeitabhängigen Lautheitssummation, DAGA 98, DEGA e.V. Oldenburg, S. 482-483 [Vogel 75] Vogel, 1975, Ein gemeinsames Funktionsschema zur Beschreibung der Lautheit und der Rauhigkeit, Biological Cybernetics 18, S. 31-40 [Zobl 98] M. Zobl, 1998, Sprachverständlichkeitsvorhersage mit einem perzeptiven Modell, Diplomarbeit am Lehrstuhl für Mensch-Maschine-Kommunikation, TUMünchen [Zwicker 77] E. Zwicker, 1977, Procedure for calculating loudness of temporarily variable sounds, JASA 62, S. 675-682 [Zwicker et al. 90] E. Zwicker, H. Fastl, 1990, Psychoacoustics. Facts and models, Springer Verlag [Zwicker 91] E. Zwicker, 1991, Berechnung des Lautstärkepegels und der Lautheit aus dem Geräuschspektrum, DIN 45 631 - 53 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 7. Anhang 7 Anhang 7.1 Quervergleich der Hörfeldberechnung Die Hörfelder der Versuchspersonen lagen jeweils bei vier verschiedenen Mittenfrequenzen vor, je nachdem, bei welcher Versuchsreihe (als Versuch 1 bzw. 5 bezeichnet) sie im Vorfeld der Arbeit gemessen wurden. Zwei Probanden nahmen an beiden Versuchsreihen teil, es lagen also alle acht Hörfelder vor. Um nun die Übertragbarkeit der entstehenden k Vektoren, von einer Versuchsreihe auf die Andere, zu überprüfen, wurden jeweils mit den k Vektoren, die mit Hilfe des einen Versuchs berechnet wurden, die Hörfelder des jeweils anderen Versuchs nachgerechnet. Dazu waren Daten zweier Versuchspersonen, die an beiden Versuchsreihen teilnahmen, vorhanden. 60 Lautheit / KU 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 80 100 Pegel / dB Abbildung 7.1: Hörfelder einer Versuchsperson (VP 23) für ein terzbreites Rauschen mit einer Mittenfrequenz von 500 Hz. Blau: Versuch 1, Rot: Versuch 5 Abbildung 7.1 zeigt für eine der beiden Versuchspersonen die jeweils bei einer Mittenfrequenz von 500 Hz ermittelten Hörfelder. Dabei erkennt man eine gute Übereinstimmung mit Unterschieden von maximal 10 KU. Bei den Werten für Versuch 1 fällt jedoch auf, daß diese erst bei einem Darbietungspegel von 45 dB beginnen und hier bereits, wie bei Versuch 5, eine Lautheit von ca. 10 KU empfunden wird. Dies - 54 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 7. Anhang beeinträchtigt aber die Möglichkeit einer guten Hörfeldberechnung nicht negativ, wie man an Hand der Werte des nichtlinearen Gütekoeffizienten Bnl in Abbildung 7.2 erkennen kann. Diese liegen in beiden Fällen sehr nah bei 1 ( Bnl ≈ 0,84 ). 50 50 0.84358 40 Lautheit / KU Lautheit / KU 40 30 20 10 0 0.81502 30 20 10 0 20 40 60 80 100 0 0 Pegel / dB 20 40 60 Pegel / dB 80 100 Abbildung 7.2: Hörfeldberechnungen für eine Mittenfrequenz von 500 Hz. Links Versuch 1, rechts Versuch 5. Die oben links eingetragene Zahl ist der nichtlineare Gütekoeffizient Bnl . Die Berechnungen wurden mit dem Modell DIN TWO durchgeführt. Die sich für den Quervergleich ergebenden Gütekoeffizienten sind in der untenstehenden Graphik dargestellt. Es wurden hierfür jeweils alle Berechnungen zusammengefasst. Ein Wert bildet sich also aus den Berechnungen für die Verschiedenen Frequenzen und die verschiedenen Versuchspersonen. - 55 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 7. Anhang Güte der Hörfeldberechnung (trainiert / untrainiert) 1 0,9 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,86 R TE O O D M IN R O E VE TW R O B IN IN TE IN O TW IN 0,84 TE R IG D O O M TW D IN R O E VE TW R O B O O R R IG R O O TW IN 0,84 R 0,94 TW 0,92 IG 0,93 O N E 0,64 D D IN O N E VE R B O N E 0,84 M O O R E 0,83 0 D IN nicht lin.Gütekoeffizient B 0,8 Abbildung 7.3: Gütekoeffizienten Bnl für die Berechnung der Hörfelder. Die Dreiergruppe links stellt die drei Modelle des Ein-Komponenten Ansatzes dar. Die mittleren Werte sind die Berechnungen der Hörfelder jeweils mit den Modellen, die auf sie trainiert wurden. Rechts schließlich die Berechnungen, die mit den k-Vektoren durchgeführt wurden, die beim jeweils anderen Versuch ermittelt wurden. Betrachtet man die Qualität der Hörfeldberechnungen, so liegt diese im ZweiKomponenten Ansatz bei Werten von über 0,9. Bei Verwendung des jeweils im anderen Versuch ermittelten k-Vektors erreicht man immer noch eine Güte, die bei ca. 0,85 liegt. Diese Werte entsprechen jedoch nahezu denen des Ein-Komponenten Ansatzes. Lediglich im modifizierten Modell nach Moore tritt eine deutliche Verbesserung ein. In Abbildung 7.4 sind die k-Vektoren für beide Versuche einer Versuchsperson dargestellt. Wie man sieht, weichen diese durchaus voneinander ab, wobei die maximale Abweichung, im Beispiel, ca. 0,3 beträgt. Ob dies ein hoher oder niedriger Wert ist, ist auf Grund der geringen Datenmenge nicht festzustellen. - 56 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige DIN TWO VERB MOORE TWO 1 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Werte fü r k 1 Werte fü r k Werte fü r k DIN TWO 7. Anhang 0.6 0.4 0.2 0 5 10 15 20 Tonheit z / Bark 0 0.6 0.4 0.2 0 5 10 15 Tonheit z / Bark 20 0 0 5 10 15 20 Tonheit z / Bark Abbildung 7.4: Verlauf der Komponenten des Vektors k für eine Versuchsperson, die an beiden Versuchsreihen der Hörfeldbestimmung teilgenommen hat. Grün: Versuch 1, Blau: Versuch 5. Dargestellt sind die Werte für die drei Modelle des Zwei-Komponenten Ansatzes. Links: DIN TWO, Mitte: DIN TWO VERB, Rechts: MOORE ZWICKER TWO Die Werte der einzelnen Komponenten von k liegen aber größtenteils sehr nahe bei 1, was erklärt, weshalb die Qualität der Berechnungen im Ein-Komponenten Ansatz bereits sehr gut ist und weshalb diese nur wenig von der, der Berechnungen des ZweiKomponenten Ansatzes, abweichen. Es bleibt an dieser Stelle jedoch unklar, ob generell eine Verbesserung der Berechnung eintritt, auch wenn die Komponenten von k an anderen Stellen ermittelt wurden. Hierfür müßte eine größere Zahl an Berechnungen durchgeführt werden. Da sich jedoch die Werte der Komponenten von k in einem ähnlichen Bereich befinden, ist davon auszugehen, daß bei zuverlässigen Werten der Hörfeldmessungen, auch eine gute Berechnung der Hörfelder an anderen Stellen möglich ist. Ob dazu jedoch die in dieser Arbeit verwendete lineare Interpolation des Vektors k ausreichend ist, oder ob man hier aufwendigere Verfahren verwenden sollte, wäre durch eventuell folgende Arbeiten zu diesem Thema zu klären. - 57 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 7. Anhang 7.2 Zeitabhängigkeit der Lautheitssummation (Dynamisches Modell) Im Hörversuch wurde ja ebenfalls eine Schalldauer von 10 ms untersucht. Die Daten, die hierbei entstanden, wurden mit Hilfe einer, auf den dynamischen Fall erweiterten, Version des Modells DIN TWO, im folgenden DIN TWO DYN genannt, berechnet. Das Modell wurde auf den dynamischen Fall angepasst, indem die Lautheit mit Hilfe eines von Vogel vorgeschlagenen Tiefpasses“ [Vogel 75] gebildet wird. Dieser soll die zeitliche Integration nachbilden. Um die Qualität dieser Modifikation zu überprüfen, werden die Berechnungen des Modells DIN TWO mit denen des auf diese Weise erweiterten Modells DIN TWO DYN für eine Schalldauer von 10 ms verglichen. 7.2.1 Normalhörende DIN TWO DYN 5 0 0 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN TWO 5 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 -25 -25 400 800 1600 3200 6400 400 Bandbreite des Testschalls / Hz 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 7.5: Lautheitssummation bei Normalhörenden, bei einer Lautheit von 15 KU und einer Schalldauer von 10 ms. Links die Berechnungen des Modells DIN TWO, Rechts das Modell DIN TWO DYN Die Berechnungen mit dem dynamischen Modell weichen bei Normalhörenden nur sehr wenig von den Berechnungen des stationären Modells ab. Die Ursache dafür ist wohl darin zu suchen, daß es sich bei der Anpassung an den dynamischen Fall lediglich um eine Integration handelt und hier keinerlei Rücksicht auf unterschiedliche Bandbreiten der Schalle genommen wird - 58 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 7. Anhang DIN TWO DYN 5 0 0 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN TWO 5 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 -25 -25 400 800 1600 3200 6400 400 Bandbreite des Testschalls / Hz 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 7.6: Lautheitssummation bei Normalhörenden, bei einer Lautheit von 30 KU und einer Schalldauer von 10 ms. Links die Berechnungen des Modells DIN TWO, Rechts das Modell DIN TWO DYN 7.2.2 Schwerhörige DIN TWO DYN 5 0 0 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN TWO 5 -5 -10 -15 -20 -5 -10 -15 -20 -25 -25 400 800 1600 3200 6400 400 Bandbreite des Testschalls / Hz 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 7.7: Lautheitssummation bei Schwerhörigen, bei einer Lautheit von 15 KU und einer Schalldauer von 10 ms. Links die Berechnungen des Modells DIN TWO, Rechts das Modell DIN TWO DYN Die Versuchsergebnisse für Schwerhörige werden vom Modell DIN TWO sowohl bei einer Lautheit von 15 (Abbildung 7.7) als auch bei 30 KU (Abbildung 7.8) gut nachvollzogen. Die berechneten Werte befinden sich ausschließlich im Interquartilbereich der Meßwerte. Das einfache dynamische Modell verbessert die - 59 - Stationäres Lautheitsmodell für Innenohrschwerhörige 7. Anhang Ergebnisse im Fall von 30 KU zwar geringfügig, bei 15 KU sind die Berechnungen aber schlechter als die des nicht angepassten Modells. DIN TWO DYN 5 0 0 Pegeldifferenz / dB Pegeldifferenz / dB DIN TWO 5 -5 -10 -15 -20 -25 -5 -10 -15 -20 400 800 1600 3200 6400 -25 Bandbreite des Testschalls / Hz 400 800 1600 3200 6400 Bandbreite des Testschalls / Hz Abbildung 7.8: Lautheitssummation bei Schwerhörigen, bei einer Lautheit von 30 KU und einer Schalldauer von 10 ms. Links die Berechnungen des Modells DIN TWO, Rechts das Modell DIN TWO DYN Diese einfache Implementierung des dynamischen Falls liefert also Ergebnisse, die nur sehr geringfügig von denen des nicht erweiterten Modells abweichen. Grund dafür ist der verwendete, lineare Tiefpass. Ein dynamisches Modell war im Rahmen dieser Arbeit eigentlich gar nicht vorgesehen, so daß diese einfache Implementierung hier nur am Rande erwähnt werden sollte. - 60 -
